Как правильно выбрать и приобрести станочный дереворежущий инструмент?
Ф Р Е З Ы Н А С А Д Н Ы Е
Е.Негинский"
Г.Зотов, технический директор, кандидат технических наук
М.Надольский, аспирант
Насадные дереворежущие фрезы предназначены для
плоской и профильной обработки заготовок из древесины и древесных
материалов и представляют собой корпус с посадочным отверстием
и режущими зубьями.
1. Выбор основных параметров
Число зубьев z предварительно рассчитывают по формуле
z = 1000U/(n Sz),
где U - скорость подачи заготовки, м/мин, выбираемая в зависимости
от требуемой производительности фрезерного станка,
n - частота вращения фрезы, 1/мин, определяемая по паспорту
станка,
Sz - подача на зуб, мм, выбираемая в зависимости от обрабатываемого
материала и требований к качеству обработки по таблице 1.
Рассчитанное по формуле число зубьев z округляют
до ближайшего целого значения.
Диаметр D насадной фрезы выбирают из диапазона, указываемого
в паспорте станка. Диаметр новой фрезы соответствует обычно
нормализованному ряду (80, 100, 125, 140, 160, 180 мм). При
прочих равных условиях предпочтение надо отдать фрезам меньшего
диаметра, так как при этом меньше материалоемкость, неуравновешенность
и цена инструмента.
Диаметр посадочного отверстия d выбирают равным диаметру оправки
станка при наиболее распространенной непосредственной посадке
фрезы на шпиндель.
Конструкция элементов крепления фрезы связана с диаметром посадочного
отверстия. Непосредственная посадка фрезы на шпиндель при точном
выполнении посадочного отверстия дает минимальные погрешности
базирования фрезы.
Иногда фрезы изготавливают с увеличенным диаметром посадочного
отверстия (d=50...60 мм). Это позволяет, применяя переходные
втулки или патроны, устанавливать фрезу на шпиндели различных
станков (например, фрезы цилиндрические сборные тип 5 по ГОСТ14956-79).
Фрезерные оправки большинства станков имеют резьбовые концы
для гаек, служащих для закрепления фрез. Для предотвращения
отворачивания гайки при работе фрезы направление ее затягивания
противоположно направлению вращения шпинделя.
Если оправка не имеет резьбового конца, то выбирают фрезы с
гидравлическими втулками (например, фирмы "Leitz")
или фрезы с креплением на цангах с гайками (фрезы цилиндрические
сборные типов 3 и 4 по ГОСТ 14956-79).
Направление вращения фрезы следует задавать в виде указания
"по часовой стрелке" или "против часовой стрелки"
на виде сверху для вертикальных шпинделей и на виде справа для
горизонтальных шпинделей. Такое задание направления вращения
предпочтительнее распространенного обозначения "левое"
и "правое" вращение ввиду отсутствия четких договоренностей,
как их понимать.
По направлению вращения фрезы относительно подачи заготовки
различают встречное и попутное фрезерование. В большинстве фрезерных
деревообрабатывающих станков реализуется встречное фрезерование.
Однако при механической подаче заготовок вполне допустимо и
попутное фрезерование, которое обеспечивает более высокое качество
обработки, особенно при торцовом фрезеровании, из-за меньшей
глубины концевых сколов.
Передний угол g определяется видом обрабатываемого материала,
направлением резания по отношению к волокнам древесины и материалом
режущей части (таб. 2).
Таблица 2. Выбор величины переднего угла g
Обрабатываемый материал
Направление резания Величина переднего угла , град, зубьев фрез
стальных твердосплавных
Древесина мягких пород, вдоль волокон 20…30 20…25
Древесина твердых пород, вдоль волокон 15…25 15…20
Древесина мягких пород, в торец 30…35 30
Древесина твердых пород, в торец 25…30 25
Древесина мягких пород, поперек волокон 35…40 30
Древесина твердых пород, поперек волокон 30…35 30
ДСтП, ДВП, МДФ 15…20
Угол заострения зуба b оказывает влияние на прочность режущей
части зуба. Во избежание выкрашивания лезвия он не должен быть
менее 40° для стальных и 50° для твердосплавных зубьев фрез.
Задний угол a однозначно определяется величинами углов g и b:
a = 90° -g - b.
Для основных режущих кромок, параллельных оси фрезы, обычно
a = 10°…15°, для боковых, расположенных в плоскости вращения
фрезы,a = 5°.
Угол наклона режущей кромки к оси фрезы v в большинстве фрез
равен 0°. В случаях, когда необходимо повысить качество обработанной
поверхности, особенно при фрезеровании кромок облицованных щитов,
v= 15°…20°.
Ширина фрезы В для обработки плоских и профильных поверхностей
должна быть больше ширины обрабатываемой заготовки как минимум
на 6...10 мм. Ширина пазовых фрез, фрез для обработки проушин
и прямых ящичных шипов равна ширине соответственно паза и проушины.
Профиль режущей кромки однозначно определяется профилем обрабатываемой
поверхности и величиной переднего угла g. Поэтому при выборе
стандартной или составлении заявки на специальную фасонную фрезу
заказчик должен оперировать профилем обрабатываемой детали с
указанием всех размеров, допусков, шероховатости и базовой поверхности
заготовки.
2. Выбор типа насадной фрезы
Известно большое разнообразие конструктивных решений насадных
дереворежущих фрез. На рис.1 приведена классификация типов насадных
фрез, получивших сегодня наибольшее распространение.
Цельные фрезы бывают двух типов:
корпус и зубья выполнены из одного куска инструментальной стали;
корпус выполнен из конструкционной стали, а неразъемно с ним
соединенные (обычно припаянные) зубья - из быстрорежущей стали
или твердого сплава.
Одинарные фрезы состоят из одного корпуса с зубьями, обрабатывающими
заготовку по всей ширине профиля.
Составные фрезы включают две или более, соединенные в единый
блок, одинарные фрезы.
Затылованные фрезы отличает криволинейная (спираль Архимеда
или окружность из смещенного относительно оси фрезы центра)
задняя поверхность.
Остроконечные фрезы отличает прямолинейная задняя поверхность.
Сборные фрезы состоят из корпуса, сменных режущих элементов
(зубьев) и деталей крепления режущих элементов в корпусе.
Зубья сборных фрез могут иметь самую разнообразную форму, однако
в настоящее время получили наибольшее распространение режущие
элементы призматической формы, получившие название ножей. Тонкие
(толщиной порядка 3 мм) стальные и толстые (порядка 6 мм) с
напаянными пластинками твердого сплава ножи для обработки плоских
поверхностей затачивают по задней поверхности. Толстые стальные
и напаянные пластинками твердого сплава ножи с профильной режущей
кромкой затачивают по плоской передней поверхности.
Неперетачиваемые ножи в виде пластин твердого сплава, появившиеся
в деревообработке в последнее десятилетие, находят все большее
применение благодаря успехам порошковой металлургии и несомненным
эксплутационным достоинствам инструментов с неперетачиваемыми
пластинами. Неперетачиваемые пластины для дереворежущих фрез
имеют обычно малую толщину (1,2-2 мм) и 1, 2, 3 или 4 режущие
кромки.
Однокромочные пластины чаще всего применяют для обработки профильных
поверхностей. После затупления режущей кромки их заменяют новыми.
Многокромочные пластины после затупления режущей кромки поворачивают
и снова закрепляют в корпусе таким образом, чтобы в работе участвовала
новая острая режущая кромка. Эту операцию можно повторять от
2 до 4 раз, по числу кромок.
Конструкция и точность изготовления фрез с неперетачиваемыми
пластинами таковы, что после поворота или замены пластины она
точно садится в свое гнездо и не требует регулировки. Приведенное
в классификации деление фрез с неперетачиваемыми пластинами
на однокромочные и многокромочные в определенном смысле условно,
так как одна фреза может иметь одновременно оба типа пластин.
Однако можно заметить, что для обработки одинаковых профилей
одни инструментальные фирмы предпочитают использовать однокромочные
профильные пластины, другие - формировать сложные профили большим
количеством простых
многокромочных пластин. Ответить на вопрос, какой из этих подходов
предпочтительнее для потребителей инструмента, можно только
на основании экономических расчетов.
Корпус сборной фрезы из прочного термообработанного легкого
сплава имеет массу примерно в три раза меньше, чем корпус из
конструкционной стали тех же размеров. При меньшей массе фрезы
пропорционально уменьшается ее неуравновешенность и нагрузка
на шпиндель станка. Это крайне важно для дереворежущего инструмента,
работающего на больших (до 6000-9000 1/мин) оборотах, особенно
на современных обрабатывающих центрах, где на шпинделе одновременно
может быть установлено до четырех блоков фрез. Кроме того, фрезы
меньшей массы значительно удобнее при подготовке к работе.
Достоинства и недостатки, а также рациональная область применения
всех перечисленных фрез приведены в табл.3. Пользуясь этой таблицей,
можно выбрать один или несколько типов насадных фрез для решения
конкретных технологических задач.
3. Пример выбора насадных фрез
Требуется приобрести инструмент для изготовления половой доски
толщиной 28 мм на 4-х стороннем продольно-фрезерном станке С16-4А.Объем
производства - 300 кубических (приблизительно 100000 погонных)
метров половой доски из хвойной древесины. Шероховатость обработанных
поверхностей не более Rz max=100 мкм.
Из паспорта станка берем необходимые для выбора инструмента
параметры. Диаметры оправок левого и правого шпинделей, на которые
будут установлены фрезы для обработки шпунта и гребня половой
доски, 40 мм. Частота вращения шпинделей 6000 1/мин, скорость
подачи плавно изменяется в диапазоне от 7 до 42 м/мин. Максимально
допустимый диаметр фрез 180 мм.
Суммарное время работа станка в месяц с учетом коэффициентов
использования станка и рабочего времени составляет порядка 6700
мин. Тогда скорость подачи U для обеспечения заданной программы
должна быть не меньше 100000/6700=14,93 м/мин.
Принимаем U=15м/мин. Подачу на зуб для обеспечения заданной
шероховатости (100 мкм) при наличии сучков и косослойных участков
определяем по таб.1 Sz=0,4 мм.
Определяем число зубьев фрезы
z = 1000U/(n Sz)=(1000х15)/(6000x0,4)=6,25. Принимаем z=6.
Особенностью фрез для обработки половой доски является необходимость
обеспечения постоянства ширины паза и гребня в течение всего
времени эксплуатации фрез. Это условие при цельных фрезах обеспечивается
выполнением их составными. С учетом сказанного для изготовления
половой доски пригодны все типы цельных составных и сборных
фрез, перечисленные на рис.1 и в таблице 3, имеющие требуемый
профиль, наружный диаметр до 180 мм, посадочный диаметр не менее
40 мм и 6 зубьев.
По каталогу "Дереворежущий инструмент", составленным
сотрудниками ВНИИинструмент и изданным в 1997 г. в Екатеринбурге,
в разделе "Фрезы для обработки деталей для строительства"
(стр.122-140) находим:
1. Фрезы цельные стальные составные саморегулирующиеся по ГОСТ
13235 для обработки брусков для покрытия полов (D=160 мм, d=60мм,
В=40, z=6). Обозначение фрезы для паза 3232-0351, для гребня
3236-0351. Изготовители - Каменец-Подольский завод дереворежущего
инструмента (Украина), АО "Томский инструмент", АО
"Свердловский инструментальный завод".
2. Фрезы цельные составные остроконечные, оснащенные пластинками
твердого сплава, для обработки досок для покрытия полов по ТУ2-035-878
(D=180 мм, d=60мм, В=40, z=6). Обозначение фрезы для шпунта
3232-4005, для гребня 3236-4005. Изготовитель - Каменец-Подольский
завод дереворежущего инструмента.
3. Фрезы сборные одинарные остроконечные с толстыми (8 мм) ножами
из инструментальной или быстрорежущей стали, а также твердого
сплава для обработки пазов и гребней в досках для покрытия полов
(D=160 мм, В=40, d и z - по заявке заказчика). Изготовитель
- ООО "Инструмент-М" (Москва).
Любой из этих инструментов подходит для выполнения поставленной
задачи. Следует только иметь в виду, что при использовании фрез
с d=60 мм необходимо иметь переходные втулки-оправки с внутренним
40 и наружным 60 мм диаметрами. В конце справочника можно найти
адреса всех упоминаемых в нем изготовителей инструмента.
Ознакомление с каталогами различных инструментальных фирм позволит
найти и других изготовителей насадных фрез для обработки половой
доски.
Например, фирма "Leitz" (Германия) выпускает фрезы
цельные затылованные составные регулируемые, позволяющие обрабатывать
доски толщиной от 28 до 50 мм с шириной шипа от 8 до 15 мм.
Обозначение фрез AF 200-2, тип 1 (изготовлен целиком из инструментальной
стали , D=180мм, d=60 мм, z=6 ) и тип 2 (с напаянными пластинками
быстрорежущей стали, D=160мм, d=60 мм, z=6 ).
Фирма "Удача" (Киев) предлагает сборные одинарные
фрезы с однокромочными, а "Элси" (Муром) и "Инструмент-М"
- сборные составные фрезы с многокромочными неперетачиваемыми
пластинами твердого сплава.
4. Расчет приведенных затрат и выбор производителя инструмента
Если бы среди перечисленных нашлась фреза с максимальным периодом
стойкости и ресурсом и при этом имела бы минимальную стоимость
и затраты на эксплуатацию, то проблемы с выбором инструмента
не было. Но это не так - из таблицы 3 видно, что каждая конструкция
имеет как достоинства, так и недостатки. Как было обосновано
ранее, выбор конструкции и производителя инструмента следует
вести по суммарным приведенным затратам.
Для расчета приведенных затрат необходимо знать стойкость режущей
кромки каждой из сравниваемых фрез (табл. 4).
В таблице 5 выполнен расчет приведенных затрат на различные
типы фрез при изготовлении погонажных изделий на 4-х стороннем
станке и окон на фрезерных станках. В третьей колонке таблицы
указано, как рассчитывается численная величина каждого показателя.
Для ряда показателей есть необходимость дать дополнительные
пояснения.
Стойкость режущей кромки определяем по таб.4 для хвойной древесины.
Принимаем, что средняя глубина профиля погонажных изделий составляет
Н=5 мм.
Допустимое количество переточек и время на заточку цельных фрез,
а также время установки фрез в станок взяты по официальным нормативам
(см. "Положение по организации инструментального хозяйства
на лесопильно-деревообрабатывающих, мебельных, фанерных и лыжных
предприятиях", Архангельск, 1983).
Среднее число поворотов неперетачиваемых пластин взято как средневзвещенное
по соотношению используемых одно-, двух- и четырехкромочных
пластин в соответствующих фрезах.
Программа выпуска приблизительно равна годовой при использовании
одного 4-х стороннего станка при коэффициенте использования
0,7.
Затраты на приобретение фрез включают коэффициент срока службы
корпуса К=1 для цельных и К=0,2 для сборных фрез, учитывая,
что корпус сборной фрезы служит не менее 5 лет.
Среднечасовая ставка рабочего-заточника в сегодняшних условиях
для каждого предприятия своя. В расчете принято, что месячный
оклад рабочего 7000 руб., а число часов работы в месяц 176.
Для проведения аналогичного анализа перед покупкой инструмента
следует получить информацию о стоимости инструмента и комплекта
запасных пластин сборных фрез. Все остальные, необходимые для
расчета данные, берутся из табл.5.
Как видим, для производства и погонажных изделий и окон наиболее
экономичны сборные фрезы с неперетачиваемыми многогранными поворотными
пластинами, несмотря на то, что стоимость требуемого комплекта
инструмента в этом случае максимальная. Это свидетельствует
о том, что показатели качества инструмента выросли быстрее цены.
По этой методике удобно сопоставлять не только фрезы разной
конструкции, но и различных изготовителей.
Рекомендуется выбрать тот тип фрез и того производителя инструмента,
для которых величина приведенных затрат (или доля затрат на
инструмент в себестоимости изделия) будет минимальной.
