Фрезерование металла на станках с ЧПУ. Виды фрез и технологии обработки

• Фрезерование металла
• Что такое фрезерование с ЧПУ?
• Как происходит фрезеровка металла? 
• Виды фрез для обработки
• Способы фрезеровки металла
• Этапы фрезеровки металла
• Факторы, влияющие на качество результата 
• Сферы применения фрезеровки металла 

Фрезерование металла

Фрезерование металла в контексте производства относится к прецизионной механической обработке, которая заключается в удалении материала с заготовки, посредством вращательного движения режущего инструмента. Технология предназначена для:

• Создания сложных форм;
• Удаления материала с заготовки;
• Прорезания канавок и пазов; 
• Снятия фасок;
• Нанесения криволинейных контуров; 
• Создания желобов и насечек.

При фрезеровании заготовка надежно закрепляется на рабочем столе станка, а режущий инструмент, чаще всего концевая или торцевая фреза, выполняет обработку, срезая излишки материала. Технические тонкости заключаются в таких параметрах, как скорость, подача и глубина резания. Они настраиваются под материал и задачи производства. Фрезеровка выполняется на станках с компьютерным управлением, также известным как ЧПУ. 

Рис. 1. Процесс фрезерования металлических листов 

Что такое фрезерование с ЧПУ?

ЧПУ - это станок с компьютерным управлением, который предназначен для автоматизированной обработки различных материалов. ЧПУ расшифровывается как числовое программное управление (Computer Numerical Control). 

Преимущество обработки фрезерным станком с ЧПУ заключается в том, что он заранее запрограммирован таким образом, что может повторять одни и те же действия бесконечное количество раз. Это позволяет одинаково обрабатывать большое количество изделий. Технологии продолжают развиваться, и в ряде случаев целесообразно использовать фрезерные станки с лазерной рабочей головкой или лазерные станки для резки металла. 

Как происходит фрезеровка металла? 

Фрезерная обработка металла с ЧПУ - это процесс удаления материала с заготовки фрезером с компьютерным управлением. Данная технология применяется для создания деталей сложной формы, изготовления прототипов и мелкосерийного производства деталей. 

Работа на фрезерных станках с ЧПУ позволяет минимизировать объем ручного труда. Участие оператора сводится к смене рабочего инструмента, установке и закреплению заготовок на столе и настройке программы. После включения двигателя фрезеровщику достаточно контролировать процесс обработки, а затем заменить готовую деталь. 

Первым этапом фрезерной обработки металла является создание компьютерной модели детали. Модель может быть создана с помощью программного обеспечения CAD или 3D-сканера. Готовая модель преобразуется в траектории движения инструмента, которые указывают станку с ЧПУ, как двигаться, чтобы удалить материал с заготовки. 

Следующий шаг - настройка станка. Он  должен быть оснащен соответствующими режущими инструментами и патронами, а заготовка надежно закреплена на устройстве. Определяются точки начала и окончания обработки, устанавливаются нулевые координаты и оси координат.  В металлообработке часто применяются многошпиндельные станки, где несколько фрез работают одновременно в разных направлениях. 

Когда все готово, станок начинает фрезерную обработку детали. В процессе режущий инструмент снимает с заготовки небольшое количество материала. После фрезерования деталь подвергается последующей обработке традиционными методами, такими как шлифовка и полировка. 

Рис. 2. Процесс фрезеровки металла на ЧПУ станке

Виды фрез для обработки

• Дисковые фрезы - это универсальный рабочий инструмент, используемый для обрезки заготовок, прорезания канавок и снятия фасок. Эти фрезы могут иметь режущие кромки с одной или с двух сторон; 
• Торцевые фрезы подходят для обработки плоских или ступенчатых поверхностей, их рабочие части вращаются перпендикулярно поверхности;
• Цилиндрические фрезы бывают двух типов - с винтовыми и прямыми зубьями, их применяют на горизонтально-фрезерных станках для производства деталей в приборо- и машиностроении; 
• Угловые фрезы нужны для формирования угловых и стружечных канавок, обработки наклонных поверхностей. В зависимости от назначения они могут быть одноугловыми или двухугловыми, то есть режущие кромки расположены на одном или двух конусах. 

Рис. 3. Виды фрез по металлу

• Торцевые (пальцевые) фрезы используются для контурных выемок, уступов, пазов и фрезерования прямоугольных поверхностей;
• Шариковые фрезы создают полусферические углубления, а радиусные - канавки сложной конфигурации;
• Фасонные фрезы позволяют получать сложные профили, а конические и остроконечные зубья обеспечивают разные результаты обработки поверхности; 
• Червячные используются для обработки прямозубых, косозубых и шевронных цилиндрических колес, а также для нарезания зубьев шестерен;
• Фрезы с корончатым сверлом эффективны для формирования отверстий в заготовках, значительно сокращая время обработки по сравнению со сверлением.

Способы фрезеровки металла 

Фрезерование уступов: При обработке деталей с перпендикулярными поверхностями используются такие инструменты, как торцевые, дисковые и концевые фрезы. Эта технология применяется как на вертикальных, так и на горизонтальных фрезерных станках.

Торцевое фрезерование: При этом методе торцевые фрезы используются исключительно на горизонтальных фрезерных станках. 

Рис. 4. Торцевое фрезерование металла 

Профильная фрезеровка: При необходимости получения сложных вогнутых или выпуклых профилей применяется профильное фрезерование. Этот метод включает в себя черновую, получистовую и чистовую обработку и подходит для сложных деталей. Для изготовления сложных деталей часто используются специальные многокоординатные станки.

Фрезерование глухих и сквозных канавок: Для создания пазов с разным сечением, в том числе глухих и сквозных, используются концевые и дисковые фрезы. 

Выбор метода фрезерования зависит от таких факторов, как геометрия детали, свойства материала и требуемый уровень точности.

Этапы фрезеровки металла 

Фрезерование металла включает в себя несколько этапов:

Заготовки аккуратно устанавливаются вблизи зоны фрезерования, при этом фреза находится в движении. После установки рабочего стола шпиндель временно отключается и вновь включается только после установки необходимой глубины резания. 

Далее рабочий стол, надежно удерживающий заготовку, подводится к фрезе. Особое внимание уделяется креплению для предотвращения возможных смещений и аварий. Оператор должен соблюдать правила по безопасности, используя средства защиты, такие как защитные очки и одежду с плотными манжетами. Строгое соблюдение последовательности выполнения работ, смена инструмента должна производиться только при выключенном станке.

Приступая к работе, необходимо убедиться в исправности оборудования. Запускается аппарат в режиме холостого хода, постепенно увеличивая обороты. Для проверки достаточно 2-3 минутного пробега, а при остановке следует проверить надежность тормозов.

Подход заготовки к фрезе должен быть плавным, чтобы избегать ударов. Вектор скорости вращения шпинделя и глубина резания регулируются в зависимости от обрабатываемого материала. Например, мягкий алюминий обычно фрезеруется при 1500 об/мин, а для твердой инструментальной стали требуется более низкая скорость - 600 об/мин. Необходимо постоянно следить за техническим состоянием станка и обязательно проводить очистку. Мусор следует сметать щетками, не допуская обдува, а масляные пятна можно удалить тряпкой, смоченной керосином. Для более эффективной и контролируемой работы с крупными фрезами диаметром более 10 мм целесообразно использовать револьверный упор, особенно для уменьшения боковых сил при использовании параллельного упора.

Рис. 5. Фрезерное оборудование для резки металла

Факторы, влияющие на качество результата 

На качество изделий влияет несколько факторов, включая:

• Направление и плавность подачи заготовки;
• Опыт и мастерство оператора;
• Скорость вращения шпинделя (измеряемая в оборотах в минуту);
• Толщина слоя материала, снимаемого за каждый проход. 

Эти параметры фиксируются в таблицах и записываются в журнал. Однако некоторые факторы, например, использование плохой стали или устаревшего оборудования, могут привести к некачественному результату. К браку также могут привести проблемы, связанные с плохим креплением заготовки или повышенными вибрациями. Появление технологии ЧПУ устранило эти ошибки и обеспечило точные и стабильные результаты независимо от качества материала, возраста оборудования и опыта оператора станка.

Сферы применения фрезеровки металла 

Авиационная промышленность

Фрезеры используются для производства двигателей, шасси и элементов конструкций самолетов. Они обеспечивают высокую точность и качество, необходимые для изготовления качественных деталей летательных аппаратов разного назначения. 

Производство автомобильных деталей

Фрезерование применяется для изготовления деталей двигателей, трансмиссий, элементов шасси и других частей автомобилей. Получаются качественные изделия с оптимальными эксплуатационными характеристиками. 

Производство медицинского оборудования

Фрезерная обработка необходима для изготовления медицинских имплантатов (например, ортопедических) и хирургических инструментов. 

Изготовление пресс-форм и штампов

Обработка фрезером используется для создания пресс-форм и штампов при производстве пластмассовых и металлических деталей.

Рис. 6. Фрезеровка полостей пресс форм на чпу станке 

Изготовление металлоконструкций на заказ

Для придания формы и создания нестандартных металлических архитектурных элементов, таких как лестницы, перила и декоративные элементы зданий и сооружений.

Производство турбинных лопаток

Фрезерная обработка металла необходима для производства турбинных лопаток, используемых в энергетическом оборудовании, таком как газовые турбины и реактивные двигатели. 

Производство ювелирных изделий на заказ

Ювелиры используют фрезерование для создания сложных и индивидуальных металлических украшений. Сначала фрезеры используются для создания восковых 3D моделей, а после уже и для металлических изделий. 

Рис. 7. Фрезеровка восковых изделий

Металлические детали общего назначения

Фрезерная обработка широко используется в металлообработке и производстве для изготовления широкого спектра деталей, от кронштейнов и крепежных элементов до шестерен и шкивов.

Производство компонентов ветряных турбин

Технология применяется для производства компонентов ветроэнергетических установок, включая ступицы, мотогондолы и редукторы.

Изготовление судовых деталей

Фрезерная обработка металла необходима для изготовления таких деталей, как гребные винты, валы и корпуса судов, соответствующих стандартам морской промышленности.

Производство рельс

Фрезеры используются для изготовления рельсов, колес и других деталей в железнодорожной промышленности.