Що таке фрезерування: види, схеми та режими різання

Суть фрезерування — у двох рухах. Головний рух — обертання фрези, рух подачі — переміщення заготовки або самої фрези. На портальному ЧПУ лист лежить нерухомо, а фреза за програмою йде уздовж осей X, Y і Z. Різання переривчасте: кожен зуб ріже лише частину оберту, решту проходить у повітрі. Тому зуб щоразу входить у матеріал з ударом, а навантаження на фрезу пульсує з частотою входу зубів.

Фрезерна обробка відрізняється від точіння та свердління тим, що обертається і що рухається:

На токарному верстаті обертається заготовка, а різець зрізає з неї шар. Свердло обертається та йде вздовж осі, тому робить лише круглий отвір. Фреза рухається в площині заготовки та на глибину, тому вирізає контури, пази та кишені. Вали та втулки зручніше точити, а плоску деталь із кишенями — фрезерувати.

Які бувають фрезерні верстати?

Фрезерні верстати розрізняють за компонуванням і рівнем автоматизації:

• вертикальні: шпиндель стоїть вертикально, фреза працює зверху вниз;
• горизонтальні: шпиндель лежить горизонтально, на оправці сидять циліндричні та дискові фрези;
• універсальні: стіл або головка повертаються, тож верстат підходить для одиничних і ремонтних робіт;
• обробні центри з ЧПУ: інструмент змінюється автоматично, осей кілька, тож центр підходить для серій корпусів;
• портальні ЧПУ для листових матеріалів: лист лежить на столі, а портал зі шпинделем рухається над ним.

Види фрезерування розрізняють за типом фрези та положенням її осі відносно оброблюваної поверхні. На ЧПУ плоскі деталі з листа найчастіше фрезерують кінцевою фрезою, решта видів потрібна для площин, профілів і спеціальних операцій. Основні види зведено в таблиці:

Різьбо- та зубофрезерування — спеціальні операції для різьб і зубчастих коліс.

Циліндричне фрезерування

Циліндричне фрезерування — це обробка площини периферією циліндричної фрези, вісь якої паралельна поверхні. Зуби фрези прямі або гвинтові, а сама вона сидить на оправці горизонтального верстата. Гвинтові зуби врізаються в матеріал плавніше за прямі: кожен входить у різання поступово, уздовж гвинтової лінії. На ЧПУ той самий принцип дає бічне фрезерування кінцевою фрезою, коли стінку контуру чи уступу формує її периферія.

Торцеве фрезерування

Торцеве фрезерування — це обробка площини торцевою фрезою, вісь якої перпендикулярна поверхні, а зуби розташовані на торці та периферії. Для площин воно продуктивніше за циліндричне, бо одночасно ріже більше зубів. Діаметр D торцевої фрези беруть більшим за ширину фрезерування B: у підручниках D ≈ (1,25…1,5)·B, тож смугу 80 мм проходять фрезою Ø100–120 мм.

Не плутати. У меблевому виробництві «торцевим фрезеруванням» нерідко називають іншу операцію: паз або вибірку в торці плити. Англійське end milling у машинних перекладах часто помилково передають як «торцеве»; правильно — кінцеве фрезерування, а торцевому відповідає face milling.

Фрезерування площин: торцеве чи циліндричне?

Фрезерування площин, або фрезерування плоских поверхонь, виконують торцевою фрезою на вертикальних верстатах чи циліндричною на горизонтальних. Вузьку смугу фреза знімає за один прохід, а велику площину обробляють кількома доріжками з перекриттям, щоб між проходами не лишалося необробленої смуги. На плоскість впливають жорсткість закріплення та рівномірність припуску.

Кінцеве фрезерування: пази, кишені, контури

Кінцеве фрезерування виконує кінцева (пальцева) фреза, вісь якої перпендикулярна площині деталі: дно формує торець фрези, стінки — її периферія. Це основна операція фрезерного ЧПУ при обробці листа: контур із корекцією на радіус, пази, уступи, кишені та отвори. Внутрішній кут кишені не може бути гострим: його радіус не менший за радіус фрези. Як вказати радіуси та допуски, описано у вимогах до креслень.

Фасонне фрезерування

Фасонне фрезерування виконують фасонною (фасочною, радіусною чи профільною) фрезою, профіль зубів якої повторює профіль поверхні. Так знімають фаски, заокруглюють кромки та формують профілі. У меблевій галузі фрезеруванням нерідко називають і сам візерунок на фасаді: канавки, філенки та рельєф на фасадах з МДФ. Як такі візерунки фрезерують і який МДФ під них потрібен, розібрано в статті про види фрезерування фасадів МДФ.

Як фрезерують отвори?

Фрезерування отворів — це вирізання отвору рухом фрези за траєкторією замість врізання свердла вздовж осі. Способів три:

• кругова інтерполяція: фреза обходить коло потрібного діаметра в площині, шар за шаром;
• гвинтова інтерполяція: фреза йде спіраллю та одночасно заглиблюється;
• контурна вибірка: фреза йде за контуром, який задає програма; так роблять овали, шліци, ступінчасті отвори та гнізда під головки гвинтів.

Так однією кінцевою фрезою отримують отвори різних діаметрів, більших за діаметр самої фрези. Для типових діаметрів у серії швидше свердло.

Що таке об'ємне (3D) фрезерування?

Об'ємне (3D) фрезерування веде сферичну чи радіусну фрезу по рельєфній поверхні, і кут між віссю фрези та поверхнею змінюється вздовж траєкторії. Фреза йде растром, паралельними проходами; крок між проходами задає висоту гребінців, що лишаються на поверхні. Спочатку виконують чорнову обробку, потім чистову з малим кроком. Так за 3D-моделлю роблять рельєфи, форми та 3D-різьблення по дереву.

Зустрічне фрезерування — це схема, при якій зуби фрези в зоні різання рухаються назустріч подачі, і стружка наростає від нуля до максимуму. Попутне (побіжне) — схема, при якій напрямок руху зубів збігається з подачею: зуб входить на повну товщину стружки, і вона зменшується до нуля.

Правило «зустрічне — для чорнової обробки, попутне — для чистової» лишилося від ручних верстатів. У гвинтовій парі подачі є люфт, і при попутному фрезеруванні фреза затягує стіл ривками. На верстатах із ЧПУ кульково-гвинтові передачі працюють практично без люфту, тому попутне фрезерування там основне і для чорнових, і для чистових проходів. Зустрічне лишається для заготовок із кіркою чи окалиною, загартованого шару та верстатів із люфтом подачі.

Для дерева, фанери та пластику на вибір впливає ще кромка: сколи ламінату чи шпону, ворс, оплавлення. Тому напрямок проходу перевіряють пробним різом.

Схема фрезерування — це розташування фрези відносно заготовки та напрямок подачі. У підручниках схеми розрізняють так:

• за напрямком подачі: зустрічна та попутна;
• за положенням осі торцевої фрези: симетрична (вісь фрези збігається з віссю заготовки) та несиметрична (вісь зміщена); для продуктивних режимів беруть несиметричну;
• за положенням шпинделя: вертикальна та горизонтальна.

На ЧПУ до цього додаються траєкторії, які задає програма. У CAM-системах найчастіше використовують п'ять траєкторій:

1. Контур, зовнішній чи внутрішній, з корекцією на радіус фрези: програма веде центр фрези на відстані радіуса від лінії креслення.
2. Кишеня зигзагом або спіраллю: фреза знімає матеріал шар за шаром.
3. Адаптивна (трохоїдальна) обробка: мала ширина (ae) і велика глибина (ap) різання, рівне навантаження на фрезу; так фрезерують глибокі пази.
4. Врізання спіраллю чи під кутом замість вертикального занурення: фреза заходить у матеріал поступово, і торець не перевантажується.
5. 3D-растр або еквідистанта з кроком, потім чистовий прохід.

Напрямок обходу контуру визначає, зустрічним чи попутним буде фрезерування. Для шпинделя, що обертається за годинниковою стрілкою (вигляд зверху), попутне фрезерування виходить, коли оброблювана стінка деталі лишається праворуч від фрези за напрямком руху. Тому зовнішній контур обходять за годинниковою стрілкою, а кишеню — проти годинникової. Схему задають у CAM-системі: від неї залежать довжина траєкторії та кількість проходів, тобто машинний час.

Режими різання при фрезеруванні — це набір параметрів: швидкість різання (або частота обертання шпинделя), подача на зуб і хвилинна подача, глибина та ширина різання. Від них залежать продуктивність, шорсткість поверхні, стійкість фрези та навантаження на верстат. Елементи режиму різання, їхні позначення та формули:

Тут D — діаметр фрези, мм; z — кількість зубів; L — довжина траєкторії разом із врізанням і виходом, мм; i — кількість проходів.

Підручники та каталоги позначають глибину по-різному. У підручниках для всіх видів, крім торцевого та шпонкового, глибина різання t — це вимір поперек осі фрези, тобто ae. Ширина B — вимір уздовж осі, тобто ap. У торцевому фрезеруванні навпаки: t — уздовж осі, B — поперек. У каталогах інструмента та CAM-системах уживають ap та ae, тому в таблиці саме вони.

Формула швидкості різання та частоти обертання

Швидкість різання V — це колова швидкість різальної кромки в м/хв. Вона пов'язана з діаметром фрези та частотою обертання формулою V = π·D·n / 1000. На верстаті задають частоту обертання: n = 1000·V / (π·D). Чим менший діаметр, тим більше обертів потрібно для тієї самої швидкості різання: при V = 300 м/хв фрезі Ø12 мм потрібно близько 8 000 об/хв, а фрезі Ø6 мм — удвічі більше.

Подача на зуб і хвилинна подача

Подача на зуб Sz — це шлях, який проходить фреза за час повороту на один зуб. Подача на оберт So = Sz·z, хвилинна подача Sm = Sz·z·n. Значення Sz беруть із каталогу інструмента. Якщо подача замала, зуб ковзає по матеріалу і майже не ріже: метал налипає, дерево підгорає, пластик оплавляється, фреза швидше тупиться. Якщо подача завелика, зростає навантаження: фреза гнеться, лишає риски або ламається.

Глибина та ширина різання: як обирають

Глибина різання ap — це товщина шару, який фреза знімає за прохід уздовж своєї осі. Ширина ae — це смуга, якою фреза контактує із заготовкою поперек осі. Верхню межу задають потужність шпинделя, жорсткість верстата та виліт фрези. Чим довше фреза виступає з патрона, тим сильніше вона гнеться, тому шар за прохід беруть меншим. Повний паз, де фреза ріже всією шириною, — найважчий режим: стружку важко відвести, навантаження найвище. Великий шар знімають кількома чорновими проходами, а останній роблять чистовим, із малим припуском.

Приклад розрахунку режимів різання

Умовний приклад: контур завдовжки 1,2 м у листі алюмінію 6 мм.

Об'єм стружки для варіанта з трьома проходами (ap = 2 мм, ae = 6 мм): Q = 2·6·1 280 / 1000 ≈ 15 см³/хв. Це умовні значення для пояснення формул; реальні режими залежать від фрези, матеріалу та жорсткості верстата.

Яку швидкість різання брати для алюмінію, дерева, пластику та карбону?

Швидкість різання для алюмінію, дерева, пластику та карбону беруть із каталогу виробника конкретної фрези: єдиного числа немає, бо воно залежить від марки матеріалу, геометрії зуба та покриття. Режим різання при фрезеруванні підбирають під матеріал, а невдалий режим видно на кромці:

Вид, схема та режим визначають машинний час: To = L·i / Sm, тобто довжина траєкторії, помножена на кількість проходів і поділена на хвилинну подачу. Ціна складається з машинного часу, налагодження (закріплення, прив'язка нуля) та матеріалу, якщо він наш. Машинний час збільшують п'ять чинників:

• глибокі вузькі кишені: потрібна довга тонка фреза, режими нижчі (паз 6 мм завширшки та 20 мм завглибшки вимагає фрези Ø5–6 мм із довгою різальною частиною);
• малі внутрішні радіуси: потрібна мала фреза, подача менша (радіус R1 вимагає фрези не товстішої за Ø2 мм);
• жорсткі допуски та мала шорсткість: потрібен додатковий чистовий прохід;
• тверді чи абразивні матеріали, як-от карбон: швидкість різання нижча;
• обробка з двох боків: на 3-осьовому верстаті деталь переустановлюють.

Що вказати в кресленні

Плоскі деталі приймаємо у DXF та DWG, об'ємні — у STEP, IGES і STL; також AI, CDR і PDF. Якщо креслення немає, достатньо ескізу чи фото з розмірами.

Наші фрезерні ЧПУ для листових матеріалів мають шпиндель 3 кВт і робочі поля 1250×2000 та 800×1200 мм. Точність позиціонування — 0,05 мм, повторюваність — 0,02 мм; фрезеруємо алюміній, дерево, фанеру, МДФ, пластики, карбон і композити, робимо 3D-різьблення. Матеріали та умови роботи — на сторінці фрезерні роботи на ЧПУ, орієнтовні тарифи — у розділі ціна фрезерних робіт.

• Вікіпедія: Фрезерування (матеріалообробка)
• Sandvik Coromant: Milling formulas and definitions (англ.)
• Harvey Performance: Climb Milling vs. Conventional Milling (англ.)
• Булига Ю. В., Веселовська Н. Р., Міськов В. П. Теорія різання. Розрахунок режимів різання: практикум. Вінниця: ВНТУ, 2019