Получение сферической поверхности на фрезерном станке

Обработка сферических поверхностей на универсальном фрезерном оборудовании — задача, которая кажется сложной лишь на первый взгляд. Вопреки распространённому мнению, получить аккуратную полусферу или шаровой сегмент можно без применения дорогостоящих станков с ЧПУ, используя стандартный станочный парк и некоторые хитрости.

Мы поговорим о том, как превратить обычный вертикально-фрезерный станок в устройство для получения тел вращения сложной формы.

Чаще всего для этих целей применяется метод поворота заготовки вокруг двух осей. Классическая схема выглядит так: деталь жёстко фиксируется в трёхкулачковом патроне, который устанавливается на делительную голову или поворотный стол.

Стол станка, в свою очередь, наклоняется на требуемый угол. Инструмент, вращаясь, касается обрабатываемой поверхности, и при вращении заготовки формируется сфера.

Золотое правило здесь — правильное выставление траектории. Ось вращения заготовки и ось вращения инструмента (шпинделя) должны пересекаться в одной точке, иначе геометрия будет нарушена.

Такой подход позволяет работать как с выпуклыми, так и с вогнутыми сферическими поверхностями. В случае получения вогнутой полости инструмент располагается вертикально, а ось вращения детали смещается на величину радиуса кривизны.

Для обработки стальных заготовок обычными быстрорежущими резцами оптимальные режимы резания подбираются исходя из диаметра. Твердосплавные пластины позволяют увеличить скорость вращения шпинделя, но здесь важно следить за вибрациями, которые неизбежно возникают из-за нежёсткости системы.

Патрон с заготовкой, вынесенный на поворотном столе, представляет собой достаточно уязвимую конструкцию, поэтому припуск лучше снимать за несколько проходов, не допуская рывков при подаче.

Существует и другой, более производительный метод, основанный на использовании специальной оснастки. В этом случае заготовка закрепляется в центрах или патроне, а во фрезерную оправку устанавливается не обычная фреза, а резец, заточенный особым образом.

Его режущая кромка должна описывать в пространстве окружность, диаметр которой равен диаметру будущей сферы. Это так называемое точение на фрезерном станке, когда заготовке сообщается медленное вращение через делительную голову, а вращающийся резец обрабатывает её внешнюю поверхность.

Здесь критически важна синхронизация. Хотя она и не требуется в строгом смысле слова, как на токарном станке, важно, чтобы резец перекрывал всю зону контакта.

Радиус, описываемый резцом, должен точно соответствовать требуемому радиусу детали. Для этого резец выставляют в оправке с помощью индикатора, добиваясь минимального биения.

Люфт более 0,02–0,03 мм сразу отразится на чистоте поверхности, оставляя характерные гранёные следы.

При работе с высокоточными деталями, в случае с бронзой или латунью, можно добиться параметров шероховатости Ra 1,25 и выше. Сталь 45 даёт более грубую поверхность, поэтому часто после фрезерования оставляют припуск 0,3–0,5 мм под последующую доводку.

Наиболее сложным здесь считается момент врезания. Резец входит в материал постепенно, и нагрузка нарастает неравномерно.

Чтобы избежать сколов, в момент первого касания вращение заготовки должно быть направлено навстречу движению резца.

Говоря об углах наклона стола, нельзя забывать про расчёт. При наклонной оси шпинделя глубина резания меняется нелинейно.

Для чистовой обработки шаровой поверхности рекомендуется устанавливать частоту вращения заготовки в пределах 2–10 оборотов в минуту, что зависит от передаточного числа делительной головки. Ручное вращение позволяет чувствовать усилие, но для получения равномерной фактуры лучше использовать механический привод.

В производственной практике иногда применяют метод фрезерования концевыми сферическими фрезами. Это актуально для получения сегментов большого диаметра на трёхосевых станках.

Однако в условиях обычного механического цеха без ЧПУ такой способ подразумевает использование копировального устройства. Копир, имеющий профиль дуги, перемещает стол станка, заставляя фрезу обходить заготовку по радиусу.

При работе по копиру применяются так называемые пальцевые фрезы с закруглённой вершиной. Их диаметр подбирается меньше радиуса скругления детали, чтобы обеспечить съём материала по всей площадке.

Такая оснастка испытывает значительные знакопеременные нагрузки, поэтому подача должна быть равномерной и без остановок. Остановка в зоне контакта неизбежно приведёт к натирам и перегреву поверхностного слоя, что потом будет трудно устранить шлифовкой.

Обработка нержавеющих сталей требует особого подхода. Материал склонен к наклёпу, поэтому за один проход нужно снимать стружку достаточной толщины, не допуская трения «на зеркало».

Рекомендуется применять СОЖ с высоким содержанием масел, подавая её обильно прямо в зону резания. В случае с латунью или алюминием, напротив, главное — не перегреть резец из-за высокой пластичности, иначе металл «намажется» на кромку.

Параметры инструментальной оснастки диктуют и возможности оборудования. Делительные головки УДГ-100 или УДГ-160 позволяют обрабатывать заготовки длиной до 500 мм, но для сферических поверхностей ограничением выступает диаметр патрона.

Обычно он не превышает 160–200 мм. Если требуется сфера большего размера, заготовку крепят в центрах, используя поводковый патрон, а обработку ведут проходным резцом, закреплённым на столе.

Приходится учитывать и жёсткость крепления самого резца. Удлинённые оправки — главный враг точности.

Чем больше вылет инструмента, тем сильнее вибрация, особенно при прерывистом резании. Оптимальным решением будет использование оправок с конусом Морзе или конусом 7:24, обеспечивающих плотное прилегание к шпинделю.

Слесарная выверка резца по индикатору с магнитной стойкой обязательна на каждом этапе переналадки.

Для получения вогнутых сферических полостей, например, под пяту или сферический подшипник, чаще всего применяют расточные головки, в которые установлен резец со скруглённой вершиной. Головке сообщается вращение, а заготовке — вертикальная подача.

Вращение вокруг своей оси (заготовки) здесь не требуется, если мы используем метод «бегающего центра». Резец, движущийся по кругу, выбирает внутреннюю полость.

Но здесь есть ограничение по диаметру: он должен быть меньше диаметра входного отверстия.

Стоит упомянуть и про финишные операции. После фрезерования на станке сфера обычно требует минимальной доводки.

Часто слесари прибегают к притирке чугунными притирами с пастой ГОИ. Но если станок позволяет, можно установить шлифовальную головку с абразивным камнем и произвести шлифование по той же кинематической схеме, что и черновую обработку.

Главное, чтобы камень правился по радиусу, иначе он скопирует собственную геометрию на деталь.

Резюмируя всё вышесказанное, главным условием получения идеальной сферы является скрупулёзная настройка оборудования. Нужно потратить время на выставление резцов, проверку биения и выбор правильных режимов.

Когда станок настроен, а траектории движения узлов выверены, процесс изготовления шаровой поверхности становится делом техники и внимания оператора.