Торцева ступінчаста фреза

Торцева ступінчаста фреза, що містить корпус, торцева поверхня якого виконана у вигляді пояса еліпсоїда обертання, різальні елементи, які розташовані на спіралі та виконані однакової висоти відносно поверхні пояса, яка відрізняється тим, що спіраль виконана багатовитковою у вигля ді спіралі Ферма, кількість використаних витків якої визначається за формулою: Винахід належить до галузі машинобудування, а саме до різальних інструментів. Відома торцева ступінчаста фреза [1], що має корпус, торцева поверхня якого виконана у вигляді поверхні обертання - зрізаного конуса, і різальні елементи однакової відносно поверхні зрізаного конуса висоти, розташовані у гніздах корпуса однакової, відносно конічної поверхні, глибини, з однаковим кутовим кроком між собою, і поділені на групи, кожна з котрих має форму спіралі, а відповідні різальні елементи груп розташовані на концентричних, відносно осі фрези, колах, причому вказані спіралі виконані логарифмічними. При обробці деталей відомою фрезою, завдяки зменшенню припуску на чистові ножі, досягається підвищення якості обробленої поверхні. Загальними з винаходом суттєвими ознаками відомої торцевої ступінчастої фрези є корпус, торцева поверхня якого виконана у вигляді поверхні обертання, і різальні елементи, які розташовані на спіралі та виконані однакової висоти відносно поверхні обертання. Але, у зв'язку з неможливістю однакового виготовлення всіх різальних елементів та точного виставлення на окремі концентричні кола, що забезпечило б однакову їх участь в різанні, при експлуатації відомої фрези, внаслідок виникаючого биття різальних елементів, створюється нерівно мірне навантаження та нерівномірне підвищене зношування деяких з цих елементів, що призводить до зниження стійкості відомої торцевої фрези. Конічна форма торцевої поверхні корпуса та логарифмічна форма спіралей, на яких розташовуються різальні елементи кожної з груп, визначають збільшені габарити фрези (відносно максимальної ширини оброблюваної деталі), що є негативною її характеристикою підвищеної металоємності. Крім того, різальні елементи, розташовані на більших діаметрах корпуса, характеризуються надто збільшеною швидкістю різання, що суттєво підвищує інтенсивність зношування відомої торцевої фрези, і, таким чином, суттєвим недоліком відомої торцевої ступінчастої фрези за аналогом є низька її стійкість. Найбільш близьким аналогом торцевої ступінчастої фрези, що заявляється, вибраним як прототип, є торцева ступінчаста фреза О.П. Омельченка [2]. В відомій торцевій ступінчастій фрезі, яка має корпус, торцева поверхня якого виконана у вигляді кривої опуклої поверхні, і різальні елементи однакової відносно торцевої поверхні корпуса висоти, розташовані в гніздах корпуса однакової відносно торцевої поверхні глибини з однаковим кутовим кроком між ними і поділені на групи, кожна з яких має форму спіралі, відповідні різальні елементи N i t (i 1)k , i2 де: i - кількість різальних елементів, встановлених на одному повному колі корпуса фрези; t - випередження, виконане у напрямку спіралі (зі знаком "+"), або відставання, виконане у протилежному напрямку (зі знаком "-"), в розташуванні кожного наступного різального елемента відносно одного повного кола корпуса фрези; (19) UA (11) 77232 (13) C2 k - загальна кількість різальних елементів, встановлених на корпусі. 3 77232 4 якої розташовані на концентричних відносно осі i t N i 1k фрези колах, а відстані між різальними елементаi2 , ми кожної групи в осьовому напрямку збільшуються зі збільшенням діаметрів кіл, на яких розташоде: i - кількість різальних елементів, встановвані дані різальні елементи. Новими суттєвими лених на одному повному колі корпуса фрези; ознаками відомого винаходу є виконання торцевої t - випередження, виконане у напрямку спіралі поверхні корпуса фрези у вигляді пояса еліпсоїда (зі знаком "+"), або відставання, виконане у протиобертання та виконання спіралей, по яким розталежному напрямку (зі знаком "-"), в розташуванні шовані різальні елементи груп, у вигляді спіралей кожного наступного різального елемента відносно Архімеда. Така конструкція торцевої ступінчастої одного повного кола корпуса фрези; фрези дозволяє знизити металоємність та зменk - загальна кількість різальних елементів, шити габаритні розміри фрези. встановлених на корпусі фрези. Загальними суттєвими ознаками торцевої стуЗапропонована конструкція торцевої ступінчапінчастої фрези за прототипом та запропонованої стої фрези дозволяє запобігти використанню є: торцеваступінчаста фреза, що має корпус, торотриманих від биття неефективних тонкоріжучих цева поверхня якого виконана у вигляді пояса елірізальних елементів, товщина зрізу лезами яких псоїда обертання, і різальні елементи, які розтапорівнянна з радіусами їх заокруглень і таких, що шовані на спіралі та виконані однакової висоти тільки труться або взагалі не дістають до поверхні відносно поверхні пояса еліпсоїда обертання. різання. Це досягається за рахунок того, що різаПроте, в відомій торцевій ступінчастій фрезі з льні елементи виконані лише по одному на кожноторцевою поверхнею корпуса, виконаній у вигляді му з діаметрів. В цьому випадку вплив биття лез пояса еліпсоїда обертання, для різальних елеменрізальних елементів на товщину зрізу виключаєтьтів, встановлених на більших діаметрах, з розтася (хоча залишається незначний вплив на ширину шуванням їх на спіралях Архімеда (тобто рівновідзрізу). даленими в радіальному і кутовому напрямках) Виконання спіралі, на якій розташовані різальмає місце збільшення головних кутів в плані, а ні елементи, багатовитковою у вигляді спіралі Феразом з ними, збільшення товщини і ширини зрізу рма, дозволяє досягти зменшення радіального вказаними різальними елементами. Це призводить кроку розташування різальних елементів, встанодо збільшення сил і температур при різанні ними, влених на послідовно зростаючих витках спіралі а значить і викликає підвищення інтенсивності їх (тобто на більших діаметрах). Це дозволяє отризношування та зниження стійкості торцевої фрези мати менші товщини зрізів для різальних елеменза прототипом. тів, встановлених в корпусі на більших діаметрах, Другою причиною зниження стійкості відомої отримати практично постійну величину площ зрізу торцевої фрези є підвищення інтенсивності знорізними різальними елементами (що було неможшування різальних елементів, розташованих на ливим для фрези за прототипом). В цьому випадку однакових діаметрах внаслідок впливу биття на практично вирівнюються величини сил різання, рівномірність їх навантаження за товщиною та теплоутворення та зношування окремих різальних шириною зрізу. елементів при їх роботі. Завдяки вказаному розТаким чином, суттєвим недоліком торцевої ташуванню різальнях елементів досягнуто зменступінчастої фрези за прототипом є невисока її шення зношування перевантажених у фрезі за стійкість. прототипом елементів, розташованих на більших Метою винаходу є підвищення стійкості торцедіаметрах, а також 100%-ву участь всіх різальних вої ступінчастої фрези. В основу винаходу поставелементів в різанні, що викликає підвищення рівлена задача удосконалення торцевої ступінчастої номірності процесу фрезерування і, як результат, фрези як за рахунок зниження впливу биття лез підвищення стійкості запропонованої торцевої стурізальних елементів (яке звичайно отримується пінчастої фрези. при збиранні різальних елементів на корпусі фреСуть винаходу пояснюється кресленнями, де зи та її встановленні на шпинделі верстату) на їх зображені: участь в різанні, так і завдяки вирівнюванню робо- на Фіг.1 - вигляд торцевої ступінчастої фрези чого навантаження на різальні елементи шляхом в плані; зменшення радіальної відстані між ними в радіа- на Фіг.2 - осьовий вид знизу на фрезу з лівою льному розташуванні зі зростанням їх радіальних спіраллю Ферма та двома варіантами розташуположень. вання різальних елементів, співпадаючими за наПоставлена задача вирішується тим, що в топрямком зі спіраллю - світлими точками, а протирцеву ступінчасту фрезу, що має корпус, торцева лежними за напрямком - темними точками; поверхня якого виконана у вигляді пояса еліпсоїда - на Фіг.3 - схема різання різальними елеменобертання, і різальні елементи, які розташовані на тами торцевої фрези, згідно з якою зрізання шарів спіралі та виконані однакової висоти відносно поприпуску починається від обробленої поверхні і верхні пояса еліпсоїда обертання, введені нові закінчується шарами поверхні заготовки; суттєві ознаки. Згідно з винаходом, спіраль виго- на Фіг.4 - схема різання різальними елементовлена багатовитковою у вигляді спіралі Ферма. тами торцевої фрези, згідно з якою зрізання шарів Крім того, загальна кількість використаних витприпуску починається від поверхні заготовки і заків спіралі Ферма визначається за формулою: кінчується шарами біля обробленої поверхні. Торцева ступінчаста фреза має корпус 1, торцева поверхня якого виконана у вигляді пояса 2 5 77232 6 еліпсоїда обертання. В корпусі 1 фрези встановкорпусі 1 фрези достатньо використати лише одну лені та закріплені (не показано) різальні елементи з гілок спіралі Ферма. Вибір параметрів спіралі 3 так, що вони мають відносно поверхні пояса 2 Ферма на найменшому радіусі фрези можна викоеліпсоїда обертання однакову висоту h (Фіг.1). нувати на основі умови рівномірного навантаженОскільки різальні елементи 3 мають однакову ня різальних елементів (і чистового елемента висоту, то вони створюють поверхню різання, яка є включно) та вимог необхідної шорсткості, коли теоретично рівновіддаленою поверхнею 4 відносвеличина подачі може бути приблизно прирівняно пояса 2 еліпсоїда обертання корпуса 1 фрези. ною до відстані між сусідніми витками спіралі: Для створення її аналітичного виразу необхідно використати частину стисненого вздовж осі Oz S A 2 n 1 n , (Фіг.1) еліпсоїда обертання, вісь Oz якого співпадає з віссю фрези. Такий пояс стисненого еліпсоїде 2 - центральний кут, який відповідає одда, по-перше, добре сполучається з обробленою ному витку спіралі. плоскою поверхнею деталі, по-друге, - дозволяє На Фіг.2 показане розташування різальних отримати лише незначне збільшення діаметра елементів 3 на лівій спіралі Ферма, встановлених фрези при знятті великих припусків. на корпусі 1 фрези з випередженням на один елеВідомо [3], що така поверхня 4 рівновіддалемент (світлими точками) чи відставанням від повного від торцевої поверхні корпуса 1 теоретичного ного кола на один елемент (темними точками). стисненого еліпсоїда запишеться: Для усунення випадкової залежності товщини зрізу та й самої участі різальних елементів 3 в рі2 2 2 x y z занні від биття їх лез, яке створюється при зби1 2 a c2 ранні фрези та її установці на верстаті, різальні , елементи 3 виконані по одному на кожному з діаметрів (тобто кожен з різальних елементів 3 на де а - великі напівосі еліпсоїда у напрямках Ох новому оберті зрізає шар ним самим раніше ствота Оу, перпендикулярних осі фрези; реної поверхні різання). Зрізання кожним різальс - мала (стиснена) напіввісь у напрямку осі Oz ним елементом наступного шару припуску створю- осі обертання фрези. Звичайно, напіввісь с поється як у зв'язку з кінематичною подачею, котра є винна бути суттєво меншою напівосей а, що прийстабільною величиною, так і завдяки певному розмаються рівними найбільшому радіусу фрези, тобташуванню наступного різального елемента 3 відто a=R=D/2. Тоді напіввісь с буде за величиною носно попереднього. Таке відносне розташування приблизно рівною найбільшій глибині різання, тобкожного наступного різального елемента 3 відносто рівною с=Тmах. Така рівність буде відповідати но попереднього носить назву конструктивної понайбільшій величині кута в плані близько max 90°. дачі. У вказаному випадку можлива похибка у Зростання цього кута для різальних елементів, встановленні висоти h різальних елементів 3 вирозташованих на менших діаметрах, відбувається кличе зміну лише ширини, а не товщини зрізу (див. спочатку повільно, а далі, при збільшенні діаметФіг.3 та 4), тобто вона не призведе до зменшення рів, - прискорено. кількості активних (робочих) різальних елементів Для узгодження характеру змінності головного 3. кута в плані зі змінністю радіуса розташування З метою розширення функціональних можлирізальних елементів 3 на корпусі 1 фрези, з метою востей фрези, а саме створення як чорнових, так і вирівнювання або стабілізації величин площ зрізу чистових варіантів її виконання, тобто з різною ними, ці елементи виконані розташованими на глибиною різання та різною послідовністю зняття багатовитковій спіралі 5 у вигляді спіралі Ферма припуску - починаючи від обробленої поверхні чи [4], аналітичний вираз радіуса якої в полярній сисвід поверхні заготовки - та з різним напрямком темі координат запишеться: обертання фрези, доцільно для розташування різальних елементів 3 на її корпусі 1 використовуА , вати обидва можливі напрямки виконання спіралі Ферма - як з лівим напрямком (див. Фіг.2), так і з де А- параметр спіралі Ферма; правим (не показано). - змінний центральний кут (в радіанах) Також доцільно використовувати обидва варі(Фіг.2). анта розташування різальних елементів: з випеСпіраль Ферма має центральну симетрію, редженням, тобто у напрямку спіралі, чи з відстаскладається з двох гілок, які виходять з полюса, ванням відносно повного кола корпуса 1 фрези. одна з яких відповідає додатнім значенням радіуса Загальна кількість використаних витків багатовиткової спіралі Ферма для розміщення всіх різа, друга - від'ємним. Вона може закручуватись, як льних елементів 3 на корпусі 1 фрези визначаєтьза годинниковою стрілкою, так і проти неї. Обидві ся: гілки роблять нескінчене число обертів навколо полюса. Характерною особливістю цієї спіралі є те, що в міру віддаленості від полюса, відстань між i t N i 1k гілками (і сусідніми витками) необмежено зменшуi2 , ється (в архімедовій спіралі ця відстань залишається сталою, а в логарифмічній - необмежено де i - кількість різальних елементів, встановзростає). лених на одному повному колі корпуса фрези; Для розташування різальних елементів 3 на 7 77232 8 t -випередження, виконане у напрямку спіралі верхні з послідовністю шарів І, II, III, IV, V, VI, за(зі знаком "+"), або відставання, виконане у протикінчуючи шарами на поверхні заготовки (див. лежному напрямку (зі знаком "-"), в розташуванні Фіг.3). При розташуванні різальних елементів 3 у кожного наступного різального елемента відносно напрямку спіралі Ферма (з випередженням) посліодного повного кола корпуса фрези; довність зняття шарів припуску буде протилежною k - загальна кількість різальних елементів, - від поверхні заготовки до обробленої поверхні, встановлених на корпусі 1 фрези. (Фіг.4). В першому випадку довжина поверхні ріТак у випадку випередження розташування різання, виміряна у напрямку подачі, буде збільшузальних елементів 3, виконаного у напрямку співатись, а величина кута 1max в плані - зменшуваралі Ферма (світлими точками - на Фіг.2) кількість тись порівняно з станом при виключеній подачі. В використаних витків спіралі визначиться другому випадку, навпаки, довжина поверхні різання буде зменшуватись, а величина кута 2max в 6 1 35 5 плані - збільшуватись. N 6 1 6 5 З метою уникнення вібрацій при різанні фре6 6. 62 зою та її перевантаження потрібно зменшувати величину кута 2max в плані (другий випадок - Фіг.4) А для випадку відставання їх розташування, шляхом обмеження глибини різання до величини тобто проти напрямку спіралі, (темними точками) Т2max, тобто така ступінчаста торцева фреза може відповідно бути лише чистовою. Навпаки, при малих значеннях кута 1max з'являється можливість збільшити 6 1 25 1 реальну глибину різання з T1 до Т1max (Фіг.3). Тобто N 6 1 6 4 6 6 . (див. Фіг.2). 62 таку фрезу доцільно використовувати як чорнову. Зрозуміло, що зі збільшенням кількості витків N спіралі Ферма, при збільшенні загальної кількосНайбільша ефективність запропонованої торті різальних елементів k рівномірність фрезеруцевої ступінчастої фрези буде мати місце при її вання, а з ними продуктивність і якість обробки виконанні з різальними елементами 3, що створені торцевою ступінчастою фрезою будуть зростати. з безвершинними різальними кромками (Фіг.1), Запропонована торцева ступінчаста фреза занаприклад, по дузі кола (Фіг.3 та 4). вдяки великій кількості активних (робочих) різальРобота торцевої ступінчастої фрези проходить них елементів та рівномірному розподілу навантанаступним чином. ження на них за раціональними схемами різання У зв'язку зі змінністю величин кутів в плані для характеризується підвищеною в декілька разів різних точок безвершинної різальної кромки кожстійкістю. ного з різальних елементів 3 визначення цих кутів Крім того, приведена торцева ступінчаста з метою спрощення аналізу доцільно виконувати фреза характеризується підвищеною продуктивнідля середніх їх значень при глибинах різання: рівстю обробки і розширеними технологічними можних Т1 - кут 1max (Фіг.3) та рівних Т2 - кут 2max ливостями. (Фіг.4). Для випадку виключеної подачі (тобто S=0) Джерела інформації: центри вищезгаданих кіл різальних кромок будуть 1. А.с. СССР №1036475, МПК В23С5/06. Торцовая розташовуватись на пунктирних лініях 4 (див. Фіг.3 ступенчатая фреза. Г.Н. Выговский. Заявл. та 4) згідно з формою рівновіддаленої від корпуса 24.05.82, опубл. 23.08.83, бюл. №31. 1 еліпсоїдальної поверхні 4 (див. Фіг.1). 2. А.с. СССР №1171234, МПК В23С5/06. Торцовая У випадку обробки фрезою з подачею, рівною ступенчатая фреза А.П. Омельченка. Заявл. S, центри дуг кіл (проекцій різальних кромок на 28.03.84, опубл. 07.08.85, бюл. №29. осьову основну площину) будуть зміщені відносно 3. Выгодский М.Я. Справочник по высшей матемапунктирної лінії на величини, пропорційні кутовому тике. - Μ.: ГРФМЛ, Наука, 1976. С.207. положенню різальних елементів 3 на корпусі 1 та 4. Вірченко Н.О., Ляшко І.І. Графіки елементарних зображені відповідними штрихпунктирними лініями та спеціальних функцій/ Довідник. - К: Наукова (Фіг.3 та 4). Так у випадку розташування різальних думка, 1996, С.444. елементів 3 у напрямку, протилежному за напрямком спіралі Ферма, тобто з відставанням, зняття припуску буде розпочинатись від обробленої по 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 77232 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601