1
5.FRÉZOVÁNÍ Frézováním se obrábějí rovinné i tvarové plochy otáčejícím se vícebřitým nástrojem, tj. frézou.
Podstata frézování Obrobek upnutý na pracovním stole frézky vykonává plynulý pohyb - posuv. Někdy se posouvá i vřeteno s nástrojem. Jednotlivé břity nástroje nejsou trvale v záběru, ale jen po určitou dobu otáčky. Břity, které právě neodebírají třísku z materiálu, se ochlazují. Otáčivý pohyb frézy je hlavní pohyb, vedlejší pohyb obrobku je přímočarý nebo kruhový, obvykle kolmý na osu otáčení. Řezný pohyb je tedy cykloidní. Frézování rovinných ploch lze rozdělit na frézování válcovými a čelními frézami. Při frézování válcovými frézami je osa nástroje rovnoběžná s obrobenou plochou, kdežto při frézování čelními frézami je k ní kolmá. Frézování válcovými frézami dělíme na sousledné a nesousledné. Nesousledné frézování Fréza se otáčí proti smyslu posuvu. Průřez třísky se postupně zvětšuje od nuly do maximální tloušťky. Nevýhodou je, že břit zubu na začátku řezu klouže po obrobené ploše, odírá se, zahřívá a otupuje. Pak vnikne do zpevněné plochy, což zhoršuje jakost. Řezná síla F směřuje nahoru, a tím nepříznivě ovlivňuje způsob upnutí obrobku. Sousledné frézování Fréza se otáčí ve smyslu posuvu. Tříska od max. tloušťky do minimální. Hladší plocha, menší upínací síla. Nutná tuhá konstrukce frézky - silné rázy při vnikaní zubu do materiálu (lze je odstranit použitím fréz se šikmými zuby. Obrábí se především houževnaté a měkké materiály.
Fréza
Průřez třísky
t
t
Posuv Obrobek
Ing.Bohuslav Driml
2 Frézování čelními frézami Materiál je odřezáván nejen břity na obvodu frézy, ale i břity na čelní ploše frézy. Tloušťka třísky se také mění od minima do maxima velikosti průměru frézy k šířce frézované plochy. Tento způsob je výkonnější, protože při něm zabírá více zubů současně a umožňuje volit větší posuv. Frézování čelní válcovou frézou:
FRÉZY Fréza - je to vícebřitý nástroj, jehož břity jsou rozděleny na povrchu válcové, kuželové nebo jiné rotační plochy; její osa se shoduje s osou otáčení nástroje. ROZDĚLENÍ FRÉZ A) Podle funkce Þ frézy k obrábění rovinných ploch - válcové nebo čelní válcové Þ frézy k obrábění drážek - drážkovací a kotoučové Þ frézy pro obrábění tvarových ploch - tvarové úhlové, kuželové, rádiusové, na ozubení a závity B) Podle provedení a tvaru zubů Þ frézované Þ podsoustružené Þ podbrušované C) Podle počtu dílů Þ celistvé Þ svařované s vkládanými zuby Þ dělené D) Podle způsobu upnutí Þ nástrčné ( válcové, kuželové, tvarové, drážkovací) Þ stopkové s válcovou nebo kuželovou stopkou E) Podle smyslu otáčení Þ pravořezné Þ levořezné F) Podle technologie výroby frézy Þ odlévané Þ svařované Þ tvářené Þ broušené
Ing.Bohuslav Driml
3 Mezi kotoučové frézy patří také kotoučové pily. Slouží k frézování úzkých drážek (drážky na hlavách šroubů) nebo k dělení materiálu. Nesmí mít v otvoru unášecí drážku pro pero, kroutící moment se přenáší pouze třením. Geometrie břitu Pro volbu geometrie břitu platí stejná pravidla jako pro soustružnické nože. Úhel sklonu šroubovice l ovlivňuje směr odchodu třísky, zlepšuje pevnost břitové hrany, zajišťuje plynulý záběr, zmenšuje chvění nástroje a zlepšuje jakost povrchu obráběné plochy. Větší úhel l zvětšuje množství zubů, které jsou současně v záběru, což umožňuje snížení počtu zubů frézy, zesílení zubů a zvětšení zubové mezery. Vlivem úhlů l vzniká osová síla Fx, která by měla směřovat do vřetene stroje. Působení síly lze kompenzovat např. složením dvou válcových fréz s opačnou šroubovicí. Fx l
Fx
Fx
levá šroubovice Fx
Pravá šroubovice
Zásady konstrukce fréz Průměr frézy se volí se zřetelem na hospodárnost obrábění. K danému průměru frézy je třeba stanovit rozměry upínací stopky. Díra, popř. stopka se volí co největší ke zvětšení tuhosti soustavy S-N-O. Rozteč zubů se volí někdy nestejnoměrná, aby se snížilo chvění cele soustavy SNO při frézování. Zubové mezery musí být dostatečně prostorné, k vnějšímu průměru otevřené, s přiměřeně velkým zaoblením čela; aby se zamezilo pěchování třísek, musí být povrch čela a zubu dostatečně hladký. Počet zubu z je stanoven pro základní druhy a průměry frézy ČSN. Řeznou délku u frézy s válcovou nebo kuželovou stopkou volíme asi l = 2D, dosáhne se tím vyššího výkonu. Válcové frézy Jsou určeny pro frézování rovinných ploch. Konstrukční úpravou je přerušení břitů po obvodu nástroje dělícími drážkami ve šroubovici. Dosáhne se dělení třísek a snížení řezného odporu. Dělení třísek je výhodné při odběru větších přídavků při hrubování, kde nezáleží na drsnosti obrobené plochy. Umožňuje též vyšší výkon frézování.
Ing.Bohuslav Driml
4
Kotoučové frézy a pily Kotoučové frézy – převážně pro obrábění drážek. Břity mají obvykle na válcovém povrchu i na obou čelních plochách. Zuby na obvodě kotoučových fréz jsou obvykle střídavě v pravé a levé šroubovici. Obrábění je tak stejnoměrnější a tříska se vlivem sklonu zubu odvádí od boku obráběné drážky. Dělená fréza má rozpěrný kroužek, kterým se upravuje šířka frézy po přeostření. Kotoučové frézy větších průměrů mají vsazené destičky z RO nebo SK. Frézy z vyměnitelnými destičkami mají tvar trojúhelníku nebo jsou čtvercové. Obr. Dělená fréza
Pilové kotouče – jsou to kotoučové frézy k prořezávání úzkých drážek a dělení tyčového materiálu, Úhlové frézy - na frézování úhlových profilů. ·
Jednostranné – se používají např. při frézování zubových mezer fréz, výstružníků apod.
·
Oboustranné souměrné – s vrcholovým úhlem 30 až 90° jsou vhodné pro obrábění vrubů, zkosení hran pro svary a obrábění zubů podtáčecích fréz.
·
Nesouměrné frézy – pro obrábění zubových mezer ve šroubovici u fréz.
d d Tvarové frézy – charakteristickou vlastností tvarové frézy je , že zachovává stálý tvar a úhel hřbetu i po mnohonásobném ostření. Toho se dosáhne podsoustružením nebo podbroušením, při kterém tvarový nůž nebo tvarový brusný kotouč obrábí hřbet po dráze tvořící Archimédovu spirálu. Nástrojem pro podsoustružení je tvarový nůž, který vykonává pomocí vačky stejnoměrný přísuv o velikosti zdvihu podsoustružení, odpovídající požadovanému úhlu hřbetu podtáčeného tvaru. Na konci podtáčecího zdvihu se pak rychlým zpětným pohybem vrací do základní polohy. Frézovací hlavy - používají se pro obrábění rovinných ploch. Menší hlavy jsou konstruovány se vsazenými zuby ve tvaru soustružnických nožů s pájenými břitovými destičkami ze SK nebo RO. Dnešní frézovací hlavy jsou s vyměnitelnými břitovými destičkami ze SK. Výhody těchto hlav: ·
Snadná záměna SK různé jakosti
·
Snadná výměna opotřebovaných destiček
·
Úspora ostření pro uživatele Ing.Bohuslav Driml
5 ·
Delší trvanlivost břitů, neboť je odstraněno pnutí, které bylo u pájených destiček.
Geometrie frézovacích hlav Používají se dva typy geometrie frézovacích hlav: S negativní geometrií – jsou vhodné pro obrábění ocelových a litinových součástí v hromadné výrobě, zvláště pro velké zatížení břitu a pro těžce obrobitelné materiály. S pozitivní geometrií břitu – vhodné pro obrábění oceli, litiny a slitin hliníku, na obráběcích strojích s nižším příkonem a menší tuhostí. l= -6°
g= -7°
pozitivní: a = 8° , g = 2° , l = 9°
a=7°
negativní
D
Frézy pro číslicově řízené stroje CNC obráběcí stroje a hlavně obráběcí centra mají proti konvenčním strojům z hlediska nástrojů několik specifických požadavků, z nichž nejpodstatnější jsou: ·
Přesná definice polohy břitu nástroje,
·
Možnost co nejpřesnějšího a opakovatelného nastavení polohy a rozměru nástroje,
·
Vyloučení havárie nástroje nadměrným otupením nebo zničením ostří,
·
Způsobilost pro automatickou manipulaci a výměnu nástroje.
Seřízení nástrojů Na CNC strojích se používá nástrojových jednotek, které jsou vybaveny seřiditelnými členy. Předem seřízený nástroj lze vložit do zásobníku nástrojů na obráběcím stroji nebo přímo do vřetene stroje, protože břity jsou nastaveny v souřadnicích a rozměrech daných programem. Nástroj se seřizuje vždy mimo stroj, zpravidla v přípravcích a speciálních seřizovacích přístrojích. Způsobilost pro automatickou manipulaci a výměnu nástrojů se dosahuje u CNC frézek systémem mechanické ruky. Pro tuto funkci se držák frézy upravuje otevřenou drážkou mezi upínací a řeznou částí. Drážka pro ustavení
Ing.Bohuslav Driml
6 ŘEZNÉ PODMÍNKY Řezná rychlost – měří se na největším průměru frézy: v = p.D.n / 1000 (m/min) Volí se podle obrobitelnosti materiálu obrobku, materiálu nástroje, způsobu práce (hrubování, na čisto čelními nebo válcovými frézami apod.), podle druhu řezné kapaliny a způsobu upnutí obrobku. Posuv je dán délkou vzájemného posunutí obrobku a nástroje: Posuv na zub - fz (mm), Posuv na otáčku frézy - fo , Posuv za minutu - fmin Fmin = n . fo = n. fz.z Kde z je počet zubů frézy. Při volbě řezných podmínek se volí posuv na zub fz, při nastavování rychlosti stolu se vychází z posuvu fmin . Rychlost posuvu stolu závisí na obrobitelnosti materiálu obrobku, druhu použité frézy a požadované drsnosti obrobené plochy. Při práci na čisto se volí fz = 0,03 až 0,1 mm, Při hrubování 0,2 až 0,4 mm Hloubka frézování bývá 3 až 10 mm. U výkovků a odlitků až 30 mm.
SÍLY, VÝKON A VÝPOČET STROJNÍCH ČASŮ Řezné síly při frézování Frézování válcovou frézou: Obvodová řezná síla Kde t je hloubka řezu, b – šířka frézování
Fz = t.b.kt . p (N) fz . z kt =
- součinitel korekce frézovaného průřezu p.D
Radiální složka řezné síly Fr = (0,2 až 0,5 ) Fz Axiální složka řezné síly Fa = Fz . tg l Frézování čelní frézou: Obvodová řezná síla
Fz = t.b.kt . p
Kroutící moment
Mk = Fz . D/2 Ing.Bohuslav Driml
7 Výkon frézování Potřebný výkon pro frézování se počítá buď z obvodové řezné síly, nebo z množství odebraných třísek. Užitečný výkon
Puž = Fz . v
Je-li řezná rychlost v (m/min) a řezná síla Fz (N), je Fz . v Puž =
(kW) 1 000 . 60
Příkon elektromotoru: Puž Pe =
kde
h je účinnost stroje;
h
h = 0,7
Výpočet strojních časů L.i TAs =
(min) fmin
Kde L je celková dráha frézy (mm), fmin - poduv (mm/min), i - počet záběrů Průměry fréz lze přibližně zvolit podle strojnických tabulek : pro válcové frézy D = 20 . t (t je hloubka řezu) pro čelní frézy a frézovací hlavy D = 3/2 . b ( b je šířka frézování) Délka náběhu a přeběhu pro válcové a kotoučové frézy
t
x lp
l
ln L
D lp = 5; x =
2
D -
2
2 - t
;
ln = x + 3 až 5
2 Ing.Bohuslav Driml
L = ln + l + lp
8
t
Lp
l
ln
ln = 5 mm lp = D/2
hrubování
lp
l
ln
na čisto
DOSAHOVANÁ PŘESNOST A DRSNOST POVRCHU Válcové frézy Způsob frézování Do délky hrubování 300 1 200 Na čisto 300 1 200
IT 10 až 12 11 až 13 9 až 11 9 až 12
Ra 6,3 – 25 6,3 – 25 1,6 – 6,3 1,6 – 6,3
Frézovací hlavy Způsob frézování Do délky hrubování 300 1 200 Na čisto 300 1 200 Jemné frézování
IT 10 až 12 11 až 13 7 až 10 8 až 11 7 až 8
Ra 6,3 – 25 6,3 – 25 1,6 – 3,2 1,6 – 3,2 0,8 – 1,6 Ing.Bohuslav Driml
ln = 5 mm lp = D + (2 až 5) mm
9
FRÉZKY Podle polohy vřetena jsou buď vodorovné nebo svislé. Podle účelu a konstrukce se dělí na konzolové, stolové, rovinné a speciální (frézky na ozubení, kopírovací atd.). Charakteristický rozměr frézky je dán velikostí upínací plochy stolu.
Konzolové frézky Hlavním znakem je konzola upevněná na vedení stojanu, přestavitelná šroubem a maticí ve svislém směru. Používají se k obrábění součástí malých a středních rozměrů. Vyrábějí se svislé, vodorovné a univerzální. Svislé konzolové frézky mají pracovní vřeteno ve svislé hlavě připevněné na stojanu frézky. Hlavu lze natáčet oběma směry o 45° . Používá se frézování ploch rovnoběžných s plochou pracovního stolu, drážky v této ploše apod. Na větších typech se obrábí frézovacími hlavami s břitovými destičkami ze SK. Vodorovné konzolové frézky mají osu pracovního vřetene vodorovnou, rovnoběžnou s plochou pracovního stolu a kolmou na podélný směr pracovního stolu. Obrábějí se na nich hlavně rovinné plochy rovnoběžné s plochou pracovního stolu, drážky a tvarové plochy. Pracuje se na nich hlavně válcovými, kotoučovými a tvarovými frézami. Univerzální konzolové frézky mají stejnou konstrukci jako frézky vodorovné, ale podélný pracovní stůl je natáčivý. Typickou prací pro univerzální frézky je frézování šroubových drážek, šneků, zubů apod.
Stolové frézky Se používají pro frézování součástí větších než 400 mm. Dělí se na svislé a vodorovné. U vodorovných frézek je vřeteník umístěn ve vybrání stojanu. Stojany frézek jsou tuhé, tím umožňují větší výkon než konzolové frézky téhož rozměru.
Rovinné frézky jsou určeny pro obrábění obrobků největších rozměrů. Stavějí se pro šířky pracovního stolu od 800 mm. Stůl má pouze podélný posuv, vřeteník má příčný a svislý posuv. Portálové frézky jsou rovinné frézky velmi tuhé konstrukce se dvěma stojany, příčníkem a zpravidla čtyřmi vřeteníky. Jsou vhodné pro obrábění svislých, vodorovných a šikmých ploch na těžkých obrobcích. Při frézování šikmých ploch se vřeteník natočí o příslušný úhel sklonu. Frézuje se zpravidla frézovacími hlavami. Úzké plochy a drážky se frézují stopkovými frézami. Tloušťka stěny se nastavuje vysouváním vřetena. Pro frézování zvlášť dlouhých obrobků se používá portálových frézek s nepohyblivým stolem a pracovní posuv vykonává portálový rám.
Speciální frézky. Kopírovací frézky - dělíme na mechanické, elektro-kontaktní, hydraulické a elektro-induktivní. Lze na nich kopírovat ve vodorovných nebo svislých souřadnicích automaticky, ale také v uzavřených nebo prostorových křivkách (kopírování obvodové) poloautomaticky. Stůl s obrobkem se pohybuje podélně a příčně (osy x, y), vřeteník s frézou a kopírovacím dotykem se pohybuje svisle. Další speciální frézky jsou frézky na ozubení, na závity, na vačky, pantografické apod.
Ing.Bohuslav Driml
10
Číslicově řízené frézky mají pevnou základnu, na které se pohybují křížové stoly. Po sloupu pojíždí ve svislém směru vřeteník s konzolou (horizontální stolová frézka) nebo s vertikální hlavou (vertikální stolová frézka). Některé typy používají 6-ti vřetenovou revolverovou hlavu. U všech strojů lze programovat smysl, rychlost a délky posuvů v osách x, y, z, korekci nástroje, chlazení, plynulou změnu otáček, pohon otočného stolu. Obráběcí centra slouží k obrábění skříňových a plochých součástí. Umožňují nejen rovinné frézování, ale i souvisle řízené frézovací operace (např. kruhové frézování větších děr nebo obvodů nálitků), vrtání, vyvrtávání, vystružování, zahlubování, řezání závitů a to při jednom upnutí obrobku. Je to umožněno upnutím obrobku na přesný otočný stůl s automatickým výměníkem a zásobníkem nástrojů. Obecně lze centra rozdělit na stroje s vodorovným nebo svislým vřetenem. Charakteristickým znakem obráběcího centra je zásobník nástrojů a způsob jeho výměny. Počet nástrojů v zásobníku bývá od 15 do 30, velkokapacitní řetězové zásobníky mají 60 a více nástrojů.
PRÁCE NA FRÉZKÁCH Upínání nástrojů a obrobků Fréza musí být pevně a spolehlivě upnuta, aby při práci neházela, a tím nevznikaly nežádoucí vlny na povrchu obrobku. Rozeznáváme upnutí letmé pro stopkové frézy a frézovací hlavy a upnutí závěsné pro nástrčné frézy. Stopkové frézy se upínají přímo do dutiny vřetena pomocí redukčních pouzder.
Obr. Upnutí stopkových fréz
Malé frézovací hlavy a čelní frézy se upínají letmo na trn a zajistí se podélným nebo příčným perem. Velké frézovací hlavy se nasazují na vnější kužel frézovacího vřetena. Upevňují se unášečem a upínacím šroubem. Nástrčné frézy válcové, kotoučové a tvarové se upínají na dlouhý frézovací trn. Kuželovou stopkou je vsazen do kuželové dutiny vřetena. Druhý konec trnu je uložen v podpěrném ložisku. Dlouhá válcová část trnu má drážku pro pero. Poloha frézy se zajišťuje volně navlečenými rozpěrnými kroužky. Pro snížení chvění nástroje má být fréza co nejblíže u vřetena. vodící pouzdro
upínací šroub
upínací matice rozpěrné kroužky
frézovací trn Ing.Bohuslav Driml
11 Obrobky musí být pevně a bezpečně upnuty, aby se nepoškodil nástroj a stroj. V kusové a malosériové výrobě se upíná do strojního svěráku nebo upínkami a šrouby ke stolu stroje. V sériové výrobě se používají přípravky, které upínání urychlují. Frézování rovinných ploch se provádí válcovými, čelními frézami a frézovacími hlavami. Znečištěné hrubé rovinné plochy se frézují tzv. loupáním. Loupací frézy mají jeden až tři zuby ve šroubovici o stoupání až 50° a jsou až 300 mm dlouhé. Součásti složené z rovinných ploch se frézují složenými frézami (soupravou fréz).
Frézování drážek, zářezů a vybrání Nejvýkonnější je frézování drážek kotoučovými frézami. Tohoto způsobu se používá tehdy, má-li fréza výběh. Drážky per se frézují stopkovými frézami na jeden nebo více záběrů. Drážky s úkosem se obrábějí úhlovými frézami ve tvaru drážky. Drážky tvaru T se frézují na dvakrát, nejprve kotoučovou frézou na plnou hloubku, potom stopkovou kotoučovou frézou se dokončí tvar v dolní části. Frézování zakřivených ploch - tvarovými nebo úhlovými frézami na speciálních, kopírovacích frézkách. Frézování šroubových drážek - obrobek se upíná na trn mezi hrot koníku a hrot univerzálního dělícího přístroje nebo do sklíčidla. Stůl univerzální frézky se otočí z normální polohy o úhel, který je totožný s úhlem sklonu šroubovice. Šroubovice vznikne otáčením obrobku kolem osy s podélným posuvem obrobku ve směru osy. Uplatňuje se při výrobě fréz, výstružníků, vrtáků, závitníků apod. Frézování dělícím způsobem Obrobky, které mají mít na obvodu nebo na čele určitý počet pravidelně rozmístěných drážek, ploch nebo vybrání, se frézují dělícím způsobem různě konstruovanými dělícími přístroji. Přímé dělení - pro malý počet roztečí stačí jednoduchý dělící přístroj. Obrobek je upnut mezi hroty dělící soustavy a koníku. Na dělícím vřetenu je nasazen dělící kotouč obvykle s 24 dírami, které umožňují dělení na 24, 12, 8, 6, 4, 3 a 2 díly. Při každém pootočení se dělící kotouč zajišťuje západkou. Jednoduché nepřímé dělení používá se velký počet různých roztečí. Pootočení obrobku je nepřímé šnekovým převodem 1:40. Dělící klika, kterou se pootáčí šnek, je osově posuvná. Je na ní dělící kolík, kterým se nastavuje rozteč na dělícím kotouči. K dělící hlavě patří tři dělící kotouče s různým počtem děr na roztečných kružnicích. Dělení usnadňují ramena a tím odpadá počítání děr. Obvyklý počet děr Ing.Bohuslav Driml
12 na roztečných kružnicích bývá 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 37, 39, 41, 43, 47, 49. Otáčky kliky nk = 40 / z ,
kde z ...počet zubů.
Příklad. Má se frézovat 22 zubů. Kolikrát musíme otočit dělící klikou, aby se obrobek otočil o 1/22 obvodu? 40
40
Řešení: nk =
18
=
= 1+
Z
22
9 = 1 +
22
27 =1 +
11
otáček. 33
Šnekový převod 1 : 40
dělící kotouč
obrobek
dělící klika
dělící kolík
Diferenciální dělení používáme tam, kde nevystačíme s nepřímým dělením (při velkých prvočíslech). Provádí se na univerzálním dělícím přístroji. Spočívá v tom, že dělící klikou dělíme na větší nebo menší počet dílků, než je třeba, a takto vzniklý rozdíl (diference) se vyrovná otáčením dělícího kotouče. Pootočení dělícího kotouče v kladném nebo v opačném smyslu je umožněno vloženými, výměnnými ozubenými koly, jejichž počty zubů se zjišťují výpočtem: 40 - i nk = z odtud převod ozubených kol přičemž i = z1 z3 / z2 z4
i = 40 - nk . z
(nk jsou otáčky dělícího kotouče) 1 : 40
z1 z3
z2
obrobek
z4
Ing.Bohuslav Driml
13 Příklad: Máme frézovat 91 zubů. K dispozici je sada výměnných kol: 20, 20, 25, 30, 35,…………120, 125, 127 Postup výpočtu: 1 Zvolíme přibližný počet zubů, např. z¢ = 100 , pak 40 nk =
40 =
z¢
2 =
100
6 =
5
15
otočíme tedy klikou na roztečné kružnici s 15 dírami o 6 dílků. Protože jsme zvolili přibližný počet roztečí z¢, je třeba vzniklou diferenci vyrovnat natočením dělícího kotouče. 2. Potřebný převod pro natočení dělícího kotouče: z1 z3 p = 40 – nk . z =
, z2 z4
2 p = 40 –
200 – 182 . 91 =
5
18 =
5
3.6 =
5
30 . 60 =
2,5 . 2
25 . 20
Z toho Z1 = 30, z2 = 25, z3 = 60, z4 = 20. Je-li hodnota převodu záporná ( - ), musí se otáčet dělící kotouč opačně než dělící klika. Toho se dosáhne vložením libovolného mezikola.
Ing.Bohuslav Driml
