Двухзаходные концевые фрезы для станков с ЧПУ: разновидности, физика отвода стружки и режимы резания

Двухзаходная концевая фреза остается базовым инструментом в механических цехах при раскрое цветных металлов, полимеров и плитных древесных материалов. Мы в ежедневной практике сталкиваемся с задачами скоростной выборки глубоких карманов и раскроя листовых заготовок. Четырехзубый инструмент мгновенно забивается вязкой стружкой на алюминии. Одноперой фрезе не хватает минутной подачи на жестких промышленных станках. Двухперая схема дает баланс между прочностью сердцевины и вместимостью стружечной канавки.

Геометрия двухзаходных фрез регламентирована стандартами ГОСТ 17025-71, DIN 844, DIN 6527 и международной системой ISO 13399. Грамотный подбор угла наклона спирали и направления винтовой канавки защищает от брака деталей и поломок твердосплавного инструмента. Разберем механику резания, физику эвакуации стружки, формулы расчета подач и регламент работы на станках с ЧПУ.

1. Кинематика резания и баланс стружечной канавки Chip Gullet

В двухзаходной фрезе две режущие кромки разнесены на 180° относительно центральной оси вращения. И это обеспечивает полную динамическую симметрию инструмента при высоких оборотах шпинделя. При каждом полном обороте фреза выполняет два последовательных врезания. Нагрузка на шпиндель распределяется равномерно, исключая биение от центробежного дисбаланса массы.

Диаметр сердцевины инструмента d_core составляет от 0.50·D до 0.60·D от наружного диаметра фрезы. Оставшиеся 50–60% площади поперечного сечения занимает стружечная канавка Chip Gullet. А у четырехперой фрезы диаметр сердцевины достигает 0.70·D, и объем каждой канавки меньше в два с половиной раза. За счет вместительного стружечного кармана двухзаходный инструмент свободно выводит длинную витую стружку без пакетирования в зоне реза.

При фрезеровании вязких алюминиевых сплавов (Д16Т, АМг6, АД31, 6061) стружка сходит с высокой пластической деформацией. И если объема канавки не хватает, спрессованная стружка мгновенно заклинивает между телом фрезы и стенкой паза. Трение возрастает лавинообразно. Температура в контакте подскакивает выше 450 °C, вызывая диффузионное наваривание алюминия на режущую кромку. Двухперая конструкция с широким карманом полностью устраняет этот риск при условии достаточной минутной подачи.

2. Сравнение геометрий: спиральные Up-cut, Down-cut и прямые Straight Flute

Направление отвода стружки и ориентация вектора осевой силы резания зависят от типа винтовой линии. Мы подбираем конструкцию фрезы под жесткость закрепления заготовки и требования к чистоте верхней и нижней кромок паза.

Спиральная фреза с правой навивкой (Up-cut) выбрасывает стружку вверх по канавке в сторону шпинделя. Причем осевая составляющая силы резания тянет заготовку вверх к торцу патрона. Данная геометрия незаменима при выборке глубоких глухих пазов, карманов и сквозном раскрое плитного дюралюминия и толстого монолитного поликарбоната. Стружка вылетает из зоны реза непрерывно. Однако на верхнем слое ламинированных плит или тонкого листового пластика правая спираль может оставлять мелкие задиры и сколы.

Спиральная фреза с левой навивкой (Down-cut) направляет стружку и вектор осевой силы вниз. Режущая кромка срезает материал по направлению к плоскости стола, надежно прижимая заготовку к вакуумной плите или жертвенному слою. Верхняя кромка реза получается идеально чистой, без ворса и сколов покрытия. Но стружка прессуется на дно закрытого паза. По этой причине для сквозного раскроя тонких листов мы всегда выбираем Down-cut, а при глубоком пазовании ограничиваем глубину прохода величиной a_p <= 0.5·D.

Прямая двухзаходная фреза (Straight Flute) имеет нулевой угол наклона спирали omega = 0°. Режущие пластины ориентированы строго параллельно оси вращения. В процессе резания осевая составляющая силы полностью отсутствует: заготовка не отрывается от стола и не вдавливается в оснастку. Мы применяем прямые двухзаходные фрезы для чистового раскроя тонкого шпона, вспененного ПВХ, акрила и композитных сэндвич-панелей, где недопустима деформация кромок.

3. Особенности двухзаходных фрез по алюминию: полировка, углы и покрытия

Фрезерование алюминия диктует жесткие требования к микрогеометрии лезвия. Твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой WC-Co (содержание Co 6–8%, размер зерна 0.4–0.6 мкм) обеспечивает твердость 92–93 HRA и предел прочности на изгиб TRS свыше 4000 МПа.

Передний угол gamma для алюминиевых двухперых фрез увеличивают до диапазона +15°...+22°. Острый клин срезает вязкий металл с минимальной силой сдвига, не создавая зоны уплотнения перед кромкой. Угол подъема спирали omega составляет 35°–45°. И винтовая линия входит в материал плавно, сглаживая колебания крутящего момента на валу высокооборотного шпинделя.

Поверхность стружечных канавок полируют алмазными пастами до шероховатости Ra <= 0.05-0.10 мкм (Mirror Polish). Зеркальное дно канавки уменьшает коэффициент трения стружки о твердый сплав. Вязкий алюминий соскальзывает с поверхности стружковода, не успевая вступить в адгезионный контакт с телом инструмента.

Радиус округления режущей кромки r_n выдерживается в пределах 3–5 мкм без упрочняющей фаски. Для защиты от абразивного и адгезионного износа на фрезы наносят покрытия с низким сродством к алюминию: алмазоподобный углерод DLC (Diamond-Like Carbon) или диборид титана TiB2. Твердость слоя DLC достигает 5000–6000 HV, а коэффициент сухого трения по металлу составляет всего 0.08–0.12. Зато такой барьер полностью предотвращает появление нароста BUE даже при кратковременных перебоях подачи СОЖ.

Наш опыт показывает: применение двухзаходных фрез с полированной канавкой и DLC-покрытием увеличивает стойкость инструмента на дюралюминии Д16Т в 2.8–3.2 раза по сравнению с обычными фрезами с покрытием TiAlN, содержащим химически родственный алюминий.

4. Расчет режимов резания и предотвращение налипания стружки BUE

При работе двухзаходным инструментом операторы станков с ЧПУ часто совершают ошибку: боясь сломать тонкую фрезу, они чрезмерно занижают минутную подачу при высоких оборотах. В результате толщина срезаемого слоя падает ниже радиуса округления кромки r_n. Режущее перо перестает срезать стружку и начинает скользить по металлу, вызывая фрикционный нагрев. Материал плавится, налипает на заднюю грань и ломает фрезу за доли секунды.

Частоту вращения шпинделя n (об/мин) рассчитывают по формуле через скорость резания V_c (м/мин) и диаметр инструмента D (мм):

n = (1000 · V_c) / (pi · D)

Минутную скорость подачи V_f (мм/мин) определяют с учетом числа зубьев z = 2 и требуемой подачи на один зуб f_z (мм/зуб):

V_f = f_z · z · n = f_z · 2 · n

При неполном радиальном перекрытии паза a_e < D фактическая средняя толщина стружки h_m оказывается меньше установленной подачи f_z. Чтобы компенсировать эффект истончения стружки (Chip Thinning), мы применяем формулу:

h_m = f_z · sqrt(a_e / D)

Практический пример расчета для пазования в алюминии Д16Т

Рассчитаем режимы для фрезерования паза глубиной a_p = 3.0 мм и шириной a_e = 6.0 мм цельной двухзаходной фрезой диаметром D = 6.0 мм без покрытия с полированной канавкой.

• Рекомендуемая скорость резания для дюралюминия: V_c = 340 м/мин.
• Частота вращения шпинделя: n = (1000 · 340) / (3.1416 · 6.0) = 18 038 об/мин. Принимаем рабочее значение n = 18 000 об/мин.
• Базовая подача на зуб для чистового и получистового пазования: f_z = 0.045 мм/зуб.
• Минутная подача стола: V_f = 0.045 · 2 · 18 000 = 1 620 мм/мин.
• Объемная скорость съема материала: Q = (a_p · a_e · V_f) / 1000 = (3.0 · 6.0 · 1620) / 1000 = 29.16 см³/мин.

При такой подаче толщина стружки превышает порог упругого трения. И стружка уносит до 75–80% тепла из зоны резания, сохраняя кромку холодной.

5. Жесткость оснастки, вылет инструмента и контроль биения TIR

Радиальная жесткость концевой фрезы зависит от величины ее вылета из зажимного патрона. Согласно законам сопротивления материалов, упругий прогиб консольно закрепленного стержня delta под действием радиальной силы резания F_p описывается уравнением:

delta = (F_p · L^3) / (3 · E · I)

Здесь L обозначает длину вылета инструмента, E представляет собой модуль Юнга твердого сплава (для WC-Co около 580–620 ГПа), а I = (pi · d_core^4) / 64 выражает осевой момент инерции сечения. Величина отжима фрезы пропорциональна кубу вылета и обратно пропорциональна четвертой степени диаметра сердцевины delta ~ L^3 / d_core^4. Увеличение вылета в два раза снижает изгибную жесткость системы в восемь раз. Мы закрепляем двухзаходную фрезу в цанге с минимально возможным рабочим вылетом, не превышающим 3.0·D.

Суммарное радиальное биение TIR (Total Indicator Reading) на вылете режущей части не должно превышать 0.005–0.010 мм. При биении 0.020 мм один зуб фрезы срезает стружку двойной толщины, а второй зуб идет вхолостую. Это приводит к сколу вершины перегруженного зуба и появлению волнистости на стенках детали.

Для зажима двухзаходного инструмента мы используем прецизионные цанги класса UP (Ultra-Precision) стандарта DIN 6499/ISO 15488, а также силовые гидравлические или термопатроны. Перед установкой фрезы посадочный конус шпинделя и цангу очищают от масляной пленки и металлической пыли.

6. Диагностика производственных дефектов и регламент устранения

В процессе наладки фрезерной обработки на станках с ЧПУ оператор может столкнуться со сбоями в работе инструмента. Систематизируем основные проблемы и технические методы их устранения.

Правило первого врезания: Запрещается выполнять прямое вертикальное врезание (Plunge) двухзаходной фрезой по сплошному металлу. У двухперого инструмента центральный торец имеет перемычку, которая при вертикальной подаче мнет металл вместо резания. Мы всегда программируем врезание по спирали (Helical Ramp) или наклонной траектории (3D Ramp) под углом 3°–6°.

Чек-лист подготовки к работе двухзаходной фрезой

1. Проверка геометрии: Убедитесь, что тип спирали (Up-cut, Down-cut или Straight) точно соответствует задаче и методу фиксации детали.
2. Контроль биения: Измерьте индикатором часового типа радиальное биение TIR на оправке (допустимо не более 0.008 мм).
3. Минимизация вылета: Задвиньте хвостовик в цангу на длину не менее 80% глубины зажима, оставив снаружи только рабочую режущую часть.
4. Расчет толщины стружки: Проверьте, чтобы расчетная подача на зуб f_z превышала 0.035 мм для алюминия и 0.050 мм для конструкционных пластиков.
5. Настройка охлаждения: Направьте сопло подачи СОЖ или воздушного микротумана MQL точно в точку схода стружки с режущего пера.
6. Траектория CAM: Назначьте наклонное врезание под углом не более 5° и включите попутное направление фрезерования для финишных проходов.