режимы резания при фрезеровании

Режимы резания при фрезеровании — это совокупность параметров процесса (скорость резания, частота вращения шпинделя, подача, глубина и ширина резания, число зубьев и др.), задающих кинематику съема металла, нагрузку на инструмент и станок, качество поверхности и производительность. 🛠️ Они подбираются с учетом материала заготовки и инструмента, жесткости системы, требуемой точности и экономических целей, а затем уточняются опытными коррекциями по сигналам процесса (стружка, звук, вибрации, температура).

Ключевые параметры и их назначение

Ниже приведена концентрированная сводка по основным параметрам и типичным диапазонам для карбидных концевых фрез на ЧПУ при стабильной жесткости. 📊 Значения являются отправной точкой; окончательная настройка зависит от реальных условий.

Параметр	Обозначение / Ед.	Назначение	Типичные диапазоны	Примечания
Скорость резания	Vc, м/мин	Основной энерго-параметр резания	Al: 200–900; Сталь: 120–220; Нерж.: 70–160; Чугун: 100–200; Ti: 40–90; Закал. сталь: 60–120	Выше Vc — выше тепловая нагрузка, возможен термоизнос
Частота вращения	n, об/мин	Реализация Vc на диаметре фрезы	Зависит от D: 2–24 тыс.	n = 1000·Vc/(π·D), D — мм
Подача на зуб	fz, мм/зуб	Толщина стружки	Al: 0,05–0,12; Сталь: 0,03–0,08; Нерж.: 0,02–0,06; Ti: 0,02–0,06	Чем мягче материал и чем больше D, тем выше fz
Минутная подача	vf, мм/мин	Скорость подачи стола	От сотен до десятков тысяч	vf = n·z·fz
Глубина резания	ap, мм	Осевой припуск	Черн.: 0,5–1,5D; Чист.: 0,05–0,3D	Для HEM: ap — максимально возможная, в пределах прочности
Ширина фрезерования	ae, мм	Радиальный припуск	Боковая: 10–70% D; HEM: 5–20% D	При ae < 0,5D действует эффект радиального утонения стружки
Число зубьев	z, шт.	Частота резания зуба	2–6 (концевые фрезы); 8–16 (фрезы большой d)	Больше z — выше vf при том же fz, но выше риск забивки
Мощность и момент	P, кВт; M, Н·м	Нагрузка на шпиндель	Индивидуально по станку	P ≈ kc·ap·ae·vf/(60·10³·η), M = 9550·P/n

Формулы расчета и взаимосвязи

Связь скорости резания и частоты вращения: n = (1000 · Vc) / (π · D), где Vc — м/мин, D — мм, n — об/мин. 📐

Минутная подача: vf = n · z · fz; этот параметр непосредственно задает скорость подачи привода подачи станка.

Скорость съемки материала (производительность): Q = ap · ae · vf (мм³/мин), применима для оценки производительности и нагрузки на шпиндель.

Приближенно мощность резания: P[kW] ≈ (kc · ap · ae · vf) / (60 · 10³ · η), где kc — удельная сила резания (Н/мм²: Al 600–1000, стали 1800–2500, нержавеющие 2200–3000, Ti 3000–4500), η — коэффициент полезного действия привода (0,6–0,9). Момент: M = 9550 · P / n.

Ключевая идея — управлять реальной толщиной стружки через fz и ae: при малой ширине фрезерования (ae/D ≤ 0,5) эффективная толщина стружки уменьшается, поэтому fz следует повышать (коэффициент радиального утонения 1–2,5) при сохранении допустимой нагрузки.

Пример расчета (сталь конструкционная, фреза D=12 мм, z=4)

Исходные: Vc = 180 м/мин; предполагаемый fz = 0,05 мм/зуб; ap = 8 мм (≈0,67D); ae = 1,8 мм (15% D); kc = 2200 Н/мм²; η = 0,8.

1) Частота вращения: n = 1000·180/(π·12) ≈ 4775 об/мин (округлим до 4800). Не превышать допустимое шпинделем и инструментом.

2) Подача: vf = 4800·4·0,05 = 960 мм/мин. При ae=15% D действуют чип-тининг эффекты — разумно поднять fz до 0,06–0,07, чтобы получить достаточную толщину стружки.

3) Производительность: Q = ap·ae·vf = 8·1,8·960 ≈ 13 824 мм³/мин.

4) Мощность: P ≈ 2200·13 824/(60·10³·0,8) ≈ 0,63 кВт; момент M ≈ 9550·0,63/4800 ≈ 1,25 Н·м — допустимо для большинства 5–10-киловаттных шпинделей.

Коррекция: если звук жесткий, температура высока и наблюдается желто-голубая побежалость — снизьте Vc на 10–15% и/или поднимите fz на 10% для перевода тепла в стружку.

Факторы выбора режимов

• Материал заготовки: прочность, склонность к наклепу, теплопроводность, абразивность.
• Материал и геометрия фрезы: карбид/быстрорежущая сталь, покрытие, передний угол, число зубьев, подготовка режущей кромки.
• Жесткость системы: консольность, вылет инструмента, крепление заготовки, люфты, состояние шпинделя.
• Стратегия траектории: боковое фрезерование, торцевое, адаптив (HEM), ступенчатый или постоянный контакт, углы врезания.
• Ограничения станка: максимальные n и vf, предельная мощность, динамика сервоприводов, система ЧПУ.
• Требования по качеству: шероховатость, точность, допуск по геометрии, заусенцы.

Практические рекомендации по настройке и контролю стружки

• ✅ Для устойчивого процесса используйте врезание с управляемым углом контакта (рампа/спираль), избегая резких входов полной шириной.
• Поддерживайте fz не ниже минимального порога для материала, чтобы не тереть кромкой; для нержавеющих и титана — увеличьте fz на 10–20% при пониженной Vc.
• При ae < 0,5D компенсируйте утонение стружки увеличением fz и/или снижением ae для постоянного угла контакта.
• Используйте встречное фрезерование (climb) на ЧПУ для более стабильной толщины стружки и лучшей чистоты поверхности.
• Не снижайте подачу до нуля на выходе — программируйте небольшой перелет, чтобы избежать работы кромкой «на блеск».
• Контролируйте форму стружки: короткая извилистая стружка нормальна; сплошная лента и побежалость — признак избыточной теплонагрузки; порошкообразная — слишком малая толщина стружки.

СОЖ, охлаждение и отвод стружки

Смазочно-охлаждающая жидкость снижает адгезионный износ, выносит тепло и стружку. Для алюминия эффективны эмульсии и минимальная подача (MQL), для титана и нержавеющих — направленная эжекторная подача с высоким давлением. Сухое фрезерование применяют с теплостойкими покрытиями и при хорошем выносе стружки. При прерывистом контакте избегайте частых переключений «сухо/мокро», чтобы не вызвать термошок кромки. Контролируйте чистоту и концентрацию СОЖ, так как загрязнение резко ускоряет абразивный износ.

Особенности для разных материалов

Алюминий: высокая теплопроводность, липкость. Выше Vc (400–900 м/мин), большие fz, фрезы с полированными канавками и положительной геометрией. Избегайте налипания — выбирайте покрытие TiB2, ZrN, AlCrN с гладкой поверхностью.

Конструкционные стали: умеренные Vc (140–220), средние fz. Работайте с постоянной толщиной стружки, особенно при длинном вылете — снижайте ae и повышайте ap, чтобы уменьшить вибрации.

Нержавеющие: низкая теплопроводность, наклеп. Уменьшайте Vc (70–160), повышайте fz, используйте агрессивную подачу и качественную подачу СОЖ. Избегайте длительных «легких» проходов, вызывающих упрочнение поверхности.

Чугун: абразивный материал. Сухое или MQL, Vc 120–200, средние fz. Фильтрация воздуха важна, пыль вредна для механики.

Титановые сплавы: низкая теплопроводность, высокий модуль упругости. Низкая Vc (40–90), высокие fz, малые ae, максимальные ap по возможности. Используйте короткий вылет, жесткое крепление, направленную подачу СОЖ. Любая вибрация быстро разрушает кромку.

Типичные ошибки и их диагностика

Слишком высокая скорость резания при малом fz приводит к термическому износу и потере покрытия: видны побежалости и закругление кромки. Слишком низкая подача вызывает трение и наклеп: поверхность блестит, появляются заусенцы. Избыточная ширина (ae≈D) на длинном вылете — «чириканье» и повторяющиеся следы вибраций. Недостаток отвода стружки — повторная резка, характерные «царапины» на стенках канавки. Неверный выбор стратегии (полная ширина в углах) рождает ударные нагрузки и сколы; решается адаптивом с постоянным углом контакта и сглаженными траекториями.

Мини-алгоритм подбора режима

1. Выберите стратегию (боковая, торцевая, HEM) исходя из геометрии и жесткости.
2. Назначьте Vc и начальный fz по материалу и диаметру фрезы по справочнику производителя.
3. Определите ap максимально возможную по креплению и мощности; задайте ae для контроля угла контакта.
4. Рассчитайте n и vf, оцените мощность и момент по станку.
5. Проведите пробный рез короткой длины с логированием звука/вибраций; при перегреве снизьте Vc и поднимите fz, при вибрациях уменьшите ae или вылет.

FAQ по смежным темам ❓

Как выбрать между climb и conventional фрезерованием на универсальном станке без ЧПУ?

На большинстве ЧПУ и жестких фрезерных предпочтительно встречное (climb) фрезерование: начальная толщина стружки больше, трение меньше, качество поверхности лучше. На станках с люфтами и износом суппортов climb может «затянуть» деталь, что опасно. В таком случае conventional снижает риск рывка, но увеличивает тепловыделение и износ. Если люфты компенсационно устранены и система жесткая, возвращайтесь к climb. Настройте прижим, проверьте состояние ходовых винтов и всегда делайте пробный проход с малой глубиной. Безопасность крепления первична при любом выборе.

Что такое адаптивное (HEM) фрезерование и когда его применять?

HEM — стратегия, где фиксируется эффективный угол контакта и малая ширина резания при большой глубине, чтобы держать постоянную толщину стружки. Это позволяет повысить подачу, увеличить срок службы инструмента и равномерно распределять износ по кромке. Применяйте HEM при черновой выборке карманов, снятии массивных припусков и работе с труднообрабатываемыми материалами (Ti, нержавеющие). Важно иметь траекторию с плавным врезанием (спираль/рампа) и без резких углов. Контролируйте вылет инструмента — HEM снижает вибрации, но не компенсирует чрезмерную гибкость. Вычислите fz с учетом радиального утонения, иначе выгода будет потеряна.

Как понять, что режим перегружает шпиндель, если нет датчиков мощности?

Косвенные признаки — снижение частоты вращения под нагрузкой, гул и низкочастотные вибрации, заметный нагрев корпуса шпинделя и ухудшение чистоты поверхности. Сравните расчетный момент с паспортным: M = 9550·P/n, где P — номинал вашего шпинделя. Если инструмент «забивается» стружкой, а подача не успевает, перегрузка вероятна. Уменьшите ae или ap, а не только Vc: так снизите силу резания эффективнее. Проверьте путь стружки и подачу СОЖ — нередко «перегрузку» имитирует плохой отвод. Планово проверьте ремни/шпиндель на пробуксовку и люфт, особенно после ударов.

Почему производители инструментов дают разные fz и Vc для схожих фрез?

Рекомендации зависят от карбида, покрытия, геометрии кромки, подготовок (hone, T-land), полировки канавок и реальных испытаний. Даже малая разница в переднем угле или скруглении кромки меняет оптимальную толщину стружки и тепловой баланс. Тестовые стенды и допуски по контролю качества также различаются, что отражается на рекомендуемых окнах режимов. Следуйте их окнам как первичной точке, затем адаптируйте по вашему станку и заготовке. Сопоставляйте не только fz и Vc, но и допустимый угол контакта (ae/D), рекомендованные стратегии и подачу СОЖ. В итоге «чужие» цифры — это старт, а устойчивость процесса подтверждает корректность конкретно в вашей системе.