Попутное и встречное фрезерование

При обработке металлов резанием с помощью цилиндрических, дисковых и торцевых фрез имеется возможность выбора направления подачи инструмента  относительно движения заготовки – попутное и встречное. У каждого из способов обработки есть свои достоинства и недостатки, выбор направления движения зависит от характера обработки детали. Попробуем всё же с Вами в этом подробно разобраться.  

Попутное фрезерование – это фрезерование, при котором направление движения заготовки совпадает с направлением вектора скорости резания. Еще этот способ называют фрезерованием по подаче. 

Встречное фрезерование – фрезерование, при котором направление движения заготовки и вектор скорости резания направлены в разные стороны. Данный метод фрезерования считается традиционным, еще его называют фрезерованием против подачи. 

Однако попутное фрезерование является наиболее распространенным видом в современной металлообработке на станках с ЧПУ. Рассмотрим два этих варианта.

Попутное фрезерование

1. Толщина стружки на входе в резание максимальная, на выходе равна нулю. Отсутствует трение режущей кромки в момент врезания. Но наблюдается удар при врезании.

2. Силы резания прижимают заготовку к столу станка, стол к направляющим, а пластины в гнезда фрезы.

3. Нет возможности налипания стружки на пластине, и попадания ее между заготовкой и пластиной в момент последующего врезания. Стружка остается позади фрезы и не портит поверхность, удаляется из зоны резания.

4. Трения меньше, температура меньше, износ пластин по задней поверхности меньше это позволяет использовать большие скорости резания, чем при встречном фрезеровании.

5. Требуется станок достаточной мощности и жесткости, чтобы выдерживать удары в момент врезания. Жесткость приспособления также должна быть достаточной, чтобы выдерживать удары при врезании и не позволять сдвинуть заготовку в ту или иную сторону.

6. Требуется отсутствие зазоров между винтом и гайкой стола, так как в момент врезания при ударе может произойти сдвиг стола на величину зазора, что приведет к поломке фрезы. Этот фактор имеет место в основном на универсальных станках. Современные станки с ЧПУ обладают большой точностью и отсутствием каких-либо люфтов.

7. Стойкость фрезы выше, чем при встречном фрезеровании, при равных прочих условиях, кроме случаев, когда фрезерование осуществляется по твердой корке.

8. Обеспечивается высокая точность обработки.

9. Зуб фрезы нагружается скачкообразно, ввиду удара при врезании, что снижает ресурс инструмента. 

10. Первый выбор для чистовой обработки и при малых съемах. Иногда на стали делают встречное фрезерование, но это сугубо индивидуально, или при больших вылетах, чтобы исключить вибрации.

11. Также хорошо подходит при обработке тонких деталей при отрезном и прорезном фрезеровании.

12. При попутном фрезеровании боковых стенок происходит отжим инструмента, что приводит к погрешностям обработки, это видно на рисунке ниже. Но если съемы не большие, то этот отжим не так значителен. Поэтому часто необходимы чистовые проходы. При встречном фрезеровании режущую кромку уводит в глубь материала и отжима не происходит.

13. Попутное фрезерование является предпочтительным методом фрезерования. 

Встречное фрезерование

1. Толщина стружки на входе в резание равна нулю, на выходе максимальная. Режущая кромка в момент врезания некоторое расстояние скользит по поверхности пока не наберется толщина достаточная для врезания режущей кромки. Так на входе происходит трение кромки и выглаживание поверхности, возможно даже упрочнение поверхностного слоя, а также повышенные температуры и отжим фрезы под действием сил трения.

2. Большой износ задней поверхности зуба в результате трения в момент врезания.

3. Более низкие режимы резания ввиду быстрого износа по задней поверхности.

4. Требуется обильное охлаждение.

5. Радиальные силы резания стремятся оторвать заготовку от стола или приспособления. Требуется более надежное крепление заготовки.

6. Стружка большой толщины, образованной на выходе режущей кромки пластины, может налипать и оказаться между пластиной и заготовкой при следующем врезании, что может привести к поломке пластины. Также такое налипание плохо сказывается на стойкости пластины.

7. Резкая разгрузка фрезы на выходе негативно сказывается на устойчивости фрезы.

8. Зуб фрезы нагружается более плавно, что способствует повышению ресурса инструмента.

9. Первый выбор при черновой обработке, обработке по корке, упрочненном поверхностном слое.

10. Не происходит отжима инструмента, так как кромку затягивает при врезании в глубь материала.

11. При встречном фрезеровании требуется больше энергии, чем при попутном.

Несмотря на то, что встречное фрезерование характеризуется больше негативно этот метод в ряде случаев является более выигрышным нежели попутное фрезерование.

Когда используем встречное фрезерование

1. Когда припуск распределен не равномерно.

2. При фрезеровании корки отливки или поковки, при использовании здесь попутного резания будет наблюдаться быстрое притупление кромки и даже поломка пластины.

3. Когда используем керамические пластины при обработке жаропрочных сплавов, так как они плохо переносят удары, которые возникают на входе при попутном фрезеровании.

4. Если производите отрезку куска металла фрезерованием, то часто встречное фрезерование позволяет откинуть кусок в сторону, когда как попутное наоборот может этот кусок переместить под фрезу, что уже не безопасно либо он отлетит в человека, либо сломает фрезу. Поэтому необходимо, чтобы кусок был закреплен отдельным прижимом в любом из случаев.

5. При фрезеровании методом копирования сферическими фрезами встречное фрезерование является предпочтительным, хотя здесь наблюдается чередование и встречного и попутного фрезерования. Здесь максимальная толщина стружки снимается на благоприятных скоростях резания.

6. Если большой вылет инструмента вызывает вибрацию необходимо использовать встречное фрезерование на чистовых проходах.

7. Если мощность шпинделя станка не достаточна и при фрезеровании уступа появляется вибрация попробуйте использовать встречное фрезерование.

8. Если наблюдается пакетирование стружки при фрезеровании глубокого паза попробуйте встречное фрезерование.  

На рисунке выше видно, как действуют силы резания: при попутном фрезеровании (б) силы стремятся прижать заготовку к столу, а при встречном (а) наоборот стремятся оторвать заготовку от стола. 

При фрезеровании паза на всю ширину наблюдается чередование двух вариантов на одной стороне попутное, на второй встречное фрезерование. Это негативно сказывается на стойкости инструмента и не делает возможным работать с большой глубиной резания и подачей. Часто для такой обработки используют трохоидальный метод обработки. 

Люфт и попутное фрезерование 

Существует следующая проблема с попутной фрезеровкой, которая заключается в том, что инструмент может выбирать люфт передачи, если силы резания достаточно велики. Проблема в том, что в процессе резания рабочий стол будет тянуться на счет усилий на фрезе. И если в передаче есть люфт, это приведет к смещению стола с заготовкой на величину люфта. И, если величина люфта будет достаточной, и режущий инструмент работает с достаточной мощностью - это вызовет вибрацию, может привести к поломке инструмента и возможно даже травме оператора из-за летящих осколков. Поэтому многие мастерские запрещают попутную фрезеровку , на всех станках, у которых известен люфт. Некоторые станки оборудуются передачами с выборкой люфта, например ШВП с двойными гайками.

Один из способов рассмотреть этот вопрос – подойти к нему с точки зрения подачи зуб. Это показатель того, сколько материала каждый зуб режущего инструмента пытается срезать. Типичные значения для чистовой обработки составляют от 2-4 сотки на зуб. Для черновой обработки эта величина может увеличиться до нескольких десяток. В худшем случае попутное фрезерование может зацепить станину и рывком переместить деталь на всю величину люфта в тот момент, когда зуб режет деталь. Поэтому к моменту врезания следующего зуба подача увеличится на величину люфта. Предположим, что черновая подача на оборот равна 6 соток и есть люфт 4 сотки. В худшем случае подача на зуб может внезапно увеличиться до 0.1 мм. Это, конечно, еще не конец света, но уже порядочная нагрузка. Теперь предположим, что у вас более старый станок с люфтом 0.3 мм и подача на зуб составляет 8 соток.  Если случится выборка люфта, то следующий зуб начнет резать стружку в 0.38 мм вместо 0.08. Это с большой вероятностью означает поломку инструмента.

Нужно учитывать, достаточно ли сила резания для того, чтобы выборки люфта. Многое будет зависеть от сценария точной обработки вашего станка. Если у вас легкий стол на шариковых направляющих с низким трением,, он может легко схватиться инструментом. Если у вас много железа на столе, и, вы работаете с затянутыми регулировочными клиньями, возможность схватывания будет меньше. Есть способы рассчитать силу резания, нов в общем подходе необходимы использовать меньшие концевые фрезы, меньшую глубину резания, более низкие подачи и более низкую скорость вращения шпинделя – все это уменьшает силу резания и вероятность схватывания и выборки люфта.

Кстати, станки с ЧПУ вообще-то не должны иметь заметного люфта, поэтому это больше касается ручных машин.

При определенных условиях попутное фрезерование создает отрицательную геометрию резания.

До этого момента, вы, вероятно, думали, что стоит использовать попутное фрезерование везде где можно. Ведь такой подход создает лучшее качество обрабатываемой поверхности, требует меньше энергии и менее подвержен отклонению режущего инструмента. А операторы, работающие в ручном режиме, говорят что не стоит использовать попутное, потому что это опасно при работе на машине с люфтом. На самом деле, правда где-то посередине. Можно отметить следующие эмпирические правила:

1. При фрезеровании на глубину в половину диаметра фрезы или меньше лучше использовать попутное (при условии, что у вашей машины низкий люфт, и это безопасно); 

2. При фрезеровании на глубину ¾ диаметра фрезы способ фрезерования не имеет значения; 

3. При фрезеровании на глубину ¾ - 1 диаметра фрезы лучше встречное. 

Отклонение инструмента и точность реза при фрезеровании на подаче и против подачи

Каким образом направление фрезерования подачи влияет на отклонение и точность инструмента?

На следующем рисунке показаны небольшие стрелки (называемые векторами), показывают направление отклонение инструмента, когда резец перемещается по траектории инструмента:

Стрелки показывают где режущее усилие пытается отклонить фрезу. Встречный рез вверху, попутное фрезерование внизу

Обратите внимание, что вектор отклоняющей силы более параллелен разрезу при встречном фрезеровании (хотя стрелки длиннее и показывают более высокие силы резания). При фрезеровании на попутной подаче вектор силы практически перпендикулярен разрезу. Если ваша фреза отклоняется на 3 сотки, не является ли более предпочтительным направить его вдоль подачи? Также альтернативой может быть удаление или углубление фрезы в линию реза(изменения съема за проход). Обратно, длины векторов при встречном больше, чем при попутном. Это говорит о том, что силы резания более мощные, и инструмент с большей вероятностью отклонится.

Попробуйте использовать попутное фрезерование для черновой обработки, потому что это даст вам возможность работать быстрее, а эффект от отклонения инструмента существенно не влияет на точность и не имеет значения – последующий финишный проход обеспечит точность. Вы можете грубо работать значительно быстрее, потому что усилие резания меньше и толсто-тонкий профиль стружки переносит тепло на стружку. Стружка уносит тепло, что особенно важно для обработки твердых материалов таких как нержавеющая сталь. Тем самым обеспечивается лучшее качество обрабатываемой поверхности, если вы можете позволить повторный финишный проход. 

Встречное фрезерование для финишной обработки

Это противоречит здравому смыслу, по мнению большинства операторов станков. При прочих равных условиях они правы, но есть нюансы.

Проблема в том, что отклонение влияет и на чистоту поверхности. Если вектор сил резания почти параллелен направлению подачи, вы можете считать, что часть вектора, которая толкает его «от параллели» очень мала. Потому инструмент будет иметь небольшую тенденцию отклоняться и наносить «волны». 

Обратите внимание, что это может быть особенно важно при работе с тонкими стенками, где они очень тонки!

Поэтому важно перейти на встречное фрезерование для финишной обработки, если вам вообще неприемлемо отклонение. По крайней мере, следует избегать слишком большой глубины реза при попутном фрезеровании, чтобы избежать отклонений. Чтобы свести отклонения к минимуму, следует использовать не более 30% диаметра режущего инструмента для встречного фрезерования и 5% для попутного.

Правильное управление отклонением может помочь вам избежать необходимости дополнительного фрезерования для очистки поверхности. 

Встречное фрезерование для микрообработки

По тем же причинам, а особенно если учесть, что отклонение намного хуже влияет на микрофрезерование, стоит выбирать встречный тип вместо попутного для обработки микрофрезами. 

Как мы видим, несмотря на то, что самым популярным методом является попутное фрезерование, во многих случаях встречное фрезерование имеет преимущества. В связи  с этим всегда необходимо выбирать тот способ, который наиболее подходит для конкретных условий.

Понимая механизм каждого метода, Вы сделаете правильный выбор способа фрезерования для любой Вашей ситуации и тем самым продлите срок службы инструмента, повысите качество, точность, а также и производительность обработки.

---

Литература:

1) Sandvik Coromant

2) В.И.Анурьев Справочник конструктора машиностроителя

3) Грановский Г. И., Грановский В. Г. Резание металлов

4) https://darxton.ru/wiki-article/sposoby-frezerovki-vstrechnoe-i-poputnoe/

---