Фрезы для ЧПУ: Общие принципы

Даже самый совершенный станок с ЧПУ не сможет обойтись без правильно подобранных фрез. Ознакомьтесь с нашим руководством для начинающих по фрезам для ЧПУ.

Фрезерные станки с ЧПУ используют фрезы, которые определяют тип реза, разрешение и материал. Хотя станки с ЧПУ открыли всевозможные творческие возможности, волшебство заключается во фрезе. От нее зависит, получите ли вы в итоге идеальный или не очень результат. Кроме того, от нее зависит, сократятся ли отходы или значительно возрастут затраты на материал.

Фреза используется для удаления материала определенным образом. Изначально фрезерные устройства представляли собой ручные инструменты, управляемые шаблонами или направляющими с шарикоподшипниками, и перемещались по заготовке вручную. Но сегодня фрезерные станки управляются с помощью компьютеров, которые точно определяют траекторию движения инструмента, а для выполнения замысловатых резов требуются фрезы.

Разнообразие материалов и конструкций, вырезаемых фрезами, значительно возросло, как и типы фрез для ЧПУ. Сегодня на рынке представлено так много разновидностей фрез для ЧПУ, что выбрать нужную биту для проекта не всегда интуитивно понятно.

В этой статье мы рассмотрим различные аспекты, которые следует иметь в виду, прежде чем выбрать фрезы, подходящие для вашего проекта, а также некоторые рекомендации по выбору инструмента для решения общих задач.

Терминология фрезерных станков с ЧПУ

Прежде чем продолжить, давайте познакомимся с некоторыми жаргонными терминами для фрезерования с ЧПУ, которые важно знать:

• Скорость подачи: Скорость перемещения фрезы по материалу в поперечном направлении или наоборот. Она измеряется в IPM или футах в минуту. Поэтому, если стружка получается излишне крупной, уменьшите скорость подачи, иначе можно испортить сверло.
• Скорость вращения: Скорость вращения шпинделя. Выражается в оборотах в минуту (RPM).
• Траектория движения инструмента: Это закодированный маршрут, по которому станок с ЧПУ выполняет резку. Считайте, что это руководство для устройства.

Есть еще несколько терминов, которые требуют более подробного объяснения, а именно: флейта и нагрузка стружки.

Спираль

Спираль (канавка) — это режущая кромка сверла. Наличие большего числа спираль повышает прочность фрезы и позволяет увеличить скорость подачи, но при этом уменьшает пространство для выхода стружки. Таким образом, фреза с большим количеством канавок оставляют более гладкую поверхность реза и требуют более высокой скорости подачи, чтобы избежать подгорания. Фрезерные сверла с ЧПУ в основном выпускаются с 1, 2, а иногда и 3 спиралями. Как правило, фрезы с меньшим числом кромок снимают больше материала и требуют меньшей скорости подачи.

• Прямая канавка: Прямая канавка означает, что режущая кромка параллельна хвостовику или тела фрезы. При такой конструкции стружка не извлекается из реза. Прямая канавка дешевле в изготовлении и применяется в основном для обработки древесины и пластмасс. Прямая флейта служит для чистовой обработке.
• Спиральная канавка: Спиральная канавка нарезается по спирали вокруг тела (или хвостовика) фрезы, что делает их идеальными для обработки дерева, алюминия и пластмасс. Например спиральная канавка, направленная вверх, полезна для удаления стружки. Существует три основных типа спиральных фрез, которые мы рассмотрим далее: с верхним, нижним и компрессионным резом.

Нагрузка на стружку

Под нагрузкой на стружку понимается размер стружки или кусочков, которые фреза ЧПУ снимает с материала. Другими словами, это толщина или размер стружки, снимаемой с каждой режущей кромки (или флейты) при каждом обороте.

Это очень важно, поскольку стружка меньшего размера увеличивает тепловыделение в процессе резания. Стружка меньшего размера выбрасывается недостаточно быстро и вместо нее происходит повторное измельчение на более мелкие части, что приводит к выделению тепла. Это может привести к преждевременному выходу из строя инструмента при передаче тепла режущему инструменту. Если стружка имеет правильный размер, она отводит тепло и продлевает срок службы инструмента.

Стружкоемкость равна скорости подачи (в дюймах в минуту или IPM), деленной на число оборотов в минуту, умноженное на число фрез. Значение стружкообразования может помочь при выборе подходящего размера или диаметра сверла. Некоторые производители указывают целевую стружечную нагрузку.

Особенности

Прежде всего, следует различать сверла и фрезы:

• Сверла: Они вбиваются в материал. Они лучше всего подходят для задач, требующих удаления материала прямо по заготовке. Они часто используются для предварительного сверления отверстий под винты.
• Фрезерные сверла (или фрезы, резные сверла и концевые фрезы): Они выполняют поперечную резку материала. Они предназначены для перемещения по поверхности заготовки, счищая стружку для получения трехмерных конструкций.

Несмотря на то что сверла делятся на две основные категории, всегда есть и другие факторы, такие как материал сверла (твердый сплав, быстрорежущая сталь, твердосплавные напайки), тип фрез (прямая, восходящая, нисходящая, компрессионная), количество фасок (1-2 фаски, 2+ фаски) и конец сверла (рыбий хвост, гравировка, V-образная фреза, шаровидный наконечник).

Существуют также специальные сверла, имеющие более сложные профили для различных специализированных задач. Например, они могут использоваться для сверления отверстий, травления стекла или изготовления «ласточкиных хвостов». Таким образом, выбор сверла, которое лучше всего подходит для ваших нужд, остается за вами. Среди специализированных сверл можно выделить сверла для растачивания, сверла для продольного сгиба, сверла для круглого сечения и сверла для «жилкования».

Материалы

Среди распространенных материалов для изготовления сверл можно назвать следующие:

• Быстрорежущая сталь (HSS): Это фреза из инструментальной стали, обладающее высокой жаростойкостью, износостойкостью и твердостью. Она намного лучше углеродистой стали при использовании для изготовления режущих инструментов и фрез и в основном рекомендуется для резки пенопластов. Быстрорежущая сталь производится из сырой руды и нагревается до температуры плавления, после чего в нее добавляется несколько элементов и минералов для улучшения внутренней структуры. Срок службы инструмента из быстрорежущей стали короче, чем из твердого сплава.
• Твердый карбид (SC): Это прочная и износостойкая сталь. Фрезы из твердого сплава бывают разных типов — от дешевых до высококачественных и дорогостоящих. При покупке фрезы из твердого сплава следует быть особенно внимательным, иначе можно получить подделку. Существует множество видов карбида (карбид вольфрама, карбид бериллия, карбид кремния и др.). Обратите внимание, что такие фрезы могут быть хрупкими, поэтому с ними следует обращаться осторожно.
• Твердосплавные наконечники: Поскольку твердый сплав стоит дорого, фрезы для ЧПУ большого диаметра имеют кусочки твердого сплава, припаянные к стальному корпусу. В этом случае обеспечивается долговечность твердого сплава при меньшей стоимости стального сердечника.
• Фрезы из твердого карбида вольфрама: Твердосплавные фрезы изготавливаются с использованием твердых частиц карбида вольфрама, соединенных с металлическим кобальтом. Такие фрезы отличаются высокой прочностью и долговечностью, поэтому они остаются острыми гораздо дольше, чем фрезы из быстрорежущей стали.
• Фрезы с поликристаллическим алмазом (PCD): Эти фрезы состоят из алмазных частиц, спеченных со связующим веществом. Алмаз наносится на твердосплавную подложку, в результате чего получается чрезвычайно твердое и абразивостойкое фреза.

Основные типы реза

Спиральные фрезы — отличные универсальные инструменты, которые можно использовать в нескольких областях, но при этом необходимо определить направление реза, которое зависит от типа материала или других переменных.

Верхний рез (стружка вверх)

Сверла с верхним резом поднимают стружку (материал) вверх. При их использовании материал необходимо надежно удерживать. Эти фрезы предпочтительнее использовать, если необходимо убрать стружку из пропилов, чтобы избежать перегрева сверла. Они отлично подходят для выполнения пропилов в материале. Наиболее распространенным видом реза является верхний рез.

Нижний рез (стружка вниз)

Фрезы для нисходящей резки вдавливают стружку (материал) обратно в пропил. Их нисходящее режущее действие отлично подходит для сохранения верхней поверхности материала. Такие сверла предпочтительны для резки тонкого, гибкого материала, но не подходят для сверления отверстий, поскольку нижний слой заготовки будет отталкиваться от сверла стружкой. Сверла с нисходящей режущей кромкой оставляют чистый срез в верхней части заготовки, но могут портить нижнюю кромку.

Компрессионный рез

Компрессионные фрезы (фреза «вверх-вниз») обладают преимуществами фрез с восходящей и нисходящей нарезкой. Сверло представляет собой стандартный спуск, но его наконечник — верхний рез. Таким образом, при резке таких материалов, как фанера, получается чистая кромка с обеих сторон, поскольку верхняя часть толкается вниз, а нижняя тянется вверх. Сочетание обеих геометрий позволяет устранить сколы и снизить риск повреждения заготовки.

Обратите внимание, что компрессионные сверла никогда не следует использовать для сверления отверстий. Как только сверло проникает достаточно глубоко за пределы изменения направления, стружка сжимается, поскольку ей некуда выходить, что приводит к трению и нагреву. Эти сверла немного дороговаты из-за своей сложной конструкции, но они рекомендуются для обработки ламината, композитных материалов и фанеры.

Как подобрать фрезу

Производители фрез прилагают все усилия для их создания, но выбор подходящей фрезы все равно требует некоторого усердия. Существует множество переменных, которые необходимо учитывать при выборе подходящего сверла, но тип проекта и материал — это два фактора, которые всегда нужно принимать во внимание.

Подходящий проект

Какой проект вы выполняете? От проекта зависит, какую фрезу следует использовать.

Например для детальной работы, такой как нанесение надписей, требуются V-образные фрезы (иногда их называют гравировальными или V-образными фрезами). Как следует из названия, V-образные фрезы имеют режущий профиль в форме буквы «V». Они поставляются с различными «углами наклона», что определяет их назначение. Например V-образная фреза с углом 60° позволит получить более мелкие детали по сравнению с фрезой углом 90°, которое хорошо подходит для более крупных или мелких деталей или букв.

Совместимость материалов

Что вы будете резать? Твердую или мягкую древесину? Нержавеющая сталь, стекловолокно, МДФ, акрил или алюминий? Материал имеет значение.

Он настолько важен, что для разных материалов используются различные марки твердых сплавов. Неправильно выбранная фреза может привести к поломке фрезы или даже станка. Для пластика требуется особая фреза (в частности, та, которая не расплавит его), для алюминия и фанеры — так же.

Основные варианты

Если вы новичок работы на станках с ЧПУ и вам нужно универсальная фреза, остановитесь на двухзаходной спиральной фрезе. Они режут широкий спектр материалов, включая пластики, алюминий, пенопласт и дерево. Фреза концевая двухзаходная  — отличная универсальная фреза, если вы еще находитесь на стадии создания прототипа и не хотите сразу приобретать 20 сверл. V-образная фреза с углом 60° также является разумным выбором для гравировки, изготовления знаков и вырезания букв.

Вот некоторые фрезы, которые можно сразу же приобрести:

• фреза концевая двухзаходная
• гравировальная V-образная фреза 30°
• концевая сферическая фреза

Большинство производителей выпускают фрезы для различных материалов. Например фрезы для твердых пород древесины предназначены для оставления чистой кромки, а фрезы для пластика — для предотвращения чрезмерного расплавления. Сверла по алюминию, напротив предназначены для эффективного удаления стружки во избежание повторной сварки. (В процессе резания обычно выделяется тепло и это тепло иногда может привести к тому, что нагретая стружка сплавится с горячим режущим инструментом).

Баланс скорости и чистовой обработки

Спросите себя, что вам нужно: быстро или ровно? Необходимо определить, что важнее — скорость или точность на каждом конкретном этапе обработки.

Скорость

Скорость и соответственно, подача зависят от мощности шпинделя. Хотя высокая скорость вращения, как правило, обеспечивает более высокое качество обработки, она также может привести к увеличению трения, что в свою очередь, увеличит износ фрезы. Поэтому лучше ориентироваться на параметры частоты вращения, указанные производителем шпинделя.

Если Вам необходимо разрезать большое количество материала за короткое время, выбирайте фрезу способную быстро пройти через материал. С другой стороны, если Вы ненавидите шлифовать твердую древесину, выбирайте фрезу, которая оставляет гладкую поверхность.

При увеличении числа оборотов инструмента образуется более мелкая стружка, а при увеличении скорости подачи — более крупная. В целом, если стружка слишком крупная, то фреза может сломаться, а если стружка слишком мелкая (как мелкий порошок), то сверло будет затупляться. Все дело в том, чтобы найти правильный баланс.

Чистовая обработка

Для большей гибкости фрезы имеют несколько режущих кромок. Вы можете выбрать сверло с 2, 3 или 4 режущими кромками. При большем количестве кромок качество реза будет выше, но материал будет проходить через них гораздо медленнее.

Основные рекомендации по выбору оснастки

Фрезерный станок с ЧПУ позволяет изготавливать сложные конструкции, но только в том случае, если все сделано правильно. Вот отличная отправная точка при выборе фрезы для ЧПУ:

• Фреза концевая однозаходная: Используются, когда скорость работы важнее качества кромки.
• Фреза концевая двухзаходная: Используются, когда качество обработки кромок важнее скорости.
• Спиральная фреза: Применяются в тех случаях, когда важна чистовая обработка или ограничена мощность.
• Фреза спиральная с восходящим резом: Используются для обработки пазов, канавок или при необходимости быстрого удаления стружки. Также подходят для обработки материала с покрытием или ламинацией с одной стороны, а с другой — с лицевой. (Это самый популярный тип спиральной фрезы).
• Фреза спиральная с нисходящим резом: Лучше всего подходят для тонких материалов. Они также хорошо подходят для обработки верхней поверхности. Однако удаление стружки менее эффективно.
• Спиральные, прямые или компрессионные фрезы: Используются для композитных материалов, фанеры, натуральных пород дерева и ДСП.

Прочие рекомендации

Прежде чем приступить к резке, гравировке или вырезанию карманов, подумайте о следующем:

• Материал: Обратите внимание на его тип и толщину.
• Глубина реза: Всегда выбирайте наименьшую глубину реза, так как при большей глубине реза, чем необходимо, возникает риск прогиба, вибрации и некачественной отделки. Как правило, рекомендуемая глубина реза не должна превышать четырехкратный диаметр фрезы. В противном случае повышается риск поломки сверл.
• Диаметр реза: Для получения качественной чистовой обработки, повышения жесткости и увеличения срока службы инструмента следует использовать инструмент как можно большего диаметра.
• Выбор самой прочной фрезы: Длинные фрезы более чувствительны к изгибу и вибрации, в то время как короткие фрезы обычно дают более чистые срезы.
• Заточка фрезы: Острые фрезы всегда дают хорошие резы. Они «добрые» и тихие по сравнению с затупленными фрезами, которые часто бывают шумными и грубыми. Большинство производителей предлагают услуги по заточке фрез, но иногда гораздо дешевле купить новое сверло, чем затачивать старое. Никогда не пытайтесь затачивать фрезы вручную.
• Хранение: Фрезы необходимо хорошо хранить, чтобы их кромки не ударялись друг о друга. Например, твердый сплав становится хрупким при ударе о другие куски твердого сплава. Подумайте о приобретении органайзера фрез или сконструируйте такой, который отвечает вашим потребностям. Если вы часто перемещаете свои фрезы, сделайте для них уникальную сумку.

И наконец, всегда помните, что правильная настройка является решающим фактором, если вы хотите, чтобы ваши фрезы с ЧПУ работали хорошо и служили долго.