Введение
Процесс точения фрезерованием был предметом интенсивных исследований в конце 1980-х годов, за которыми последовал ряд практических применений [1, 2]. Однако этот процесс не был исследован так широко, как другие традиционные процессы резания. Технологический метод точение фрезерованием характеризуется тем, что во время обработки вращается не только инструмент, но и деталь [3]. Данный метод механообработки относится к высокоэффективным и применяется при изготовлении осевых режущих инструментов и других изделий сложной формы. Он позволяет повысить производительность обработки при обеспечении заданного качества изделия по сравнению с обычным точением [4, 5].
Реализация метода точения фрезерованием осуществляется в основном на многозадачных станках с ЧПУ. Однако, современные токарные обрабатывающие центры с приводным инструментом также могут использованы для его реализации. Так как для токарно-фрезерных операций требуются два вращающихся шпинделя, а именно шпиндели инструмента и обрабатываемой детали, в случае отсутствия шпинделя инструмента, его можно заменить на приводную головку, устанавливаемую в инструментальную револьверную головку токарного станка.
Ограничивающим фактором для широкого применения метода в условиях реального производства является отсутствие полноценных технологических математических моделей, позволяющих анализировать и оптимизировать процесс резания в виртуальной среде [6]. Предложенные рядом авторов математические модели точения фрезерованием позволяют прогнозировать силы резания, толщину стружки, вибрации, но при этом не дают возможность комплексно оценить параметры качества поверхности. Следует заметить также, что в ряде исследований отсутствует экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов [7]. В связи с этим, в настоящее время операции точения фрезерованием часто выполняются с опорой на опыт исследователей и дорогостоящие эксперименты. При этом в качестве обрабатываемого материала при проведении экспериментов в большинстве случаев используются конструкционные стали и алюминиевые сплавы [8, 9].
Одним из наиболее важных результатов процесса токарного фрезерования является качество поверхности готовой детали. В отличие от токарной обработки, токарно-фрезерный процесс приводит к получению огранки из-за одновременного вращения заготовки и режущего инструмента [10].
Целью данной работы является определение влияния параметров обработки на величину отклонения от круглости при точении фрезерованием быстрорежущей стали, применяемой для изготовления осевых режущих инструментов.
Материалы и методы исследования
Огранка – это отклонение от круглости, характеризующееся низменным размером между двумя параллельными плоскостями или поверхностью и точкой, при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру, как показано на рис. 1. Количественно огранка оценивается также, как и отклонение от круглости [11].
Согласно разработкам канадского исследователя Alptunc Comak из Университета Британской Колумбии максимальная высота пика огранки может быть рассчитана как [12]:
Для планирования эксперимента был выбран метод Тагучи, зарекомендовавший себя в исследованиях в качестве мощного инструмента для анализа параметров резания [13, 14]. В работе была использована ортогональная матрица Тагучи с четырьмя факторами и тремя уровнями для исследования влияния всех параметров обработки с помощью небольшого числа экспериментов, что позволяет сократить время и ресурсы для проведения экспериментальных исследований.
В качестве факторов, влияющих на формирование огранки поверхности определены следующие:
1. 
– подача на зуб, мм/зуб;
2. 
– осевая глубина фрезерования, мм;
3. 
– ширина фрезерования, мм;
4. 
– скорость резания, м/мин.
Эксперимент проводился на токарном обрабатывающем центре DMG NEF400 с дополнительной приводной осью (рис. 2), благодаря которой возможно выполнять как токарную обработку, так и обработку вращающимся инструментом (фрезы, сверла, расточные головки и т.д.).
В качестве образца для эксперимента использовалась заготовка из материала Р6М5К5-МП (ДИ101-МП), представляющая собой предварительно проточенный пруток с прорезанными канавками для радиального врезания фрезы (рис. 3). Быстрорежущая сталь Р6М5К5-МП, полученная методом порошковой металлургии, применяется для изготовления режущего инструмента такого как: фрезы, сверла, развертки, зенкеры для обработки среднелегированных, легированных, коррозионностойких сталей, жаропрочных сталей и сплавов [15].
Механообработка выполнялась концевой фрезой для обработки нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов ФКЦ 4321 16×26×82×16, диаметром d = 16; число режущих кромок z = 4 (рис. 4).
Режимы резания назначались в соответствии с рекомендациями производителя инструмента для фрезерования; обработка производилась использованием приводной головки с применением смазочно-охлаждающей жидкости (рис. 5).
В то время как фреза установлена в высокоскоростной приводной головке (максимальная скорость вращения обусловленная характеристиками приводной головки 5000 об/мин), заготовка зажимается во вращающемся гидравлическом трехкулачковом патроне, который вращается с меньшей скоростью, чем шпиндель приводной головки (см. рис. 5). Для осуществления процесса резания также необходимо перемещать инструмент вдоль оси вращения детали для создания движения поперечной подачи . При этом скорость резания будет зависеть от вращения детали . Осевая глубина резания 
регулируется величиной перемещения фрезы в радиальном направлении.
Основными методами оценки отклонения от круглости (огранки) являются:
1. Измерение на призме;
2. Измерение на кольце;
3. Оптический метод измерения.
Схема измерения огранки зависит в первую очередь от четности или нечетности числа граней. Огранку с четным числом граней измеряют по тем же схемам, что и овальность, и легко выявляют при повороте детали. Измерительные головки для этих измерений выбирают исходя из допустимого значения огранки. При контроле на призме (рис. 6, а) величина огранки определяется пересчетом показания отсчетной головки с учетом числа граней и угла призмы. Огранку детали можно измерить с помощью отверстия кольца диаметром, равным наибольшему предельному размеру детали (рис. 6, б). Для этого в условиях мелкосерийного производства рекомендуется использовать регулируемые кольца, а для крупносерийного и массового, приспособление с отверстием постоянного диаметра. Огранку также оценивают по наибольшей разности показаний измерительной головки.
Однако в связи с большим количеством граней (расчётное количество пиков граней в зависимости от режимов резания и диаметра составляет 416…899 шт.), в целях оптимизации времени и повышения точности измерения огранки производились с использованием оптического профилометра Bruker Contour GT-K1 (рис. 6, в) на участках размерами 1,7×2,3 мм. Микронеровности были получены в виде облака точек, повторяющих цилиндрический профиль измеренного участка заготовки, из которого можно выявить пики огранки. Вершины пиков огранки на рис. 7 показаны штриховыми зонами. Для снятия показаний огранки в программном обеспечении Vision64 был применен фильтр «выравнивание» для компенсации цилиндричности, а также наклона заготовки, связанной с погрешностью установки.
В результате выполнения оптических измерений были получены топографии поверхности, по которым построены графики микронеровностей поверхности, позволяющие обнаружить и измерить огранку, возникающую в процессе обработки точения фрезерованием (рис. 8).
Для анализа воспроизводимости формулы (1) сопоставим измеренную высоту профиля огранки с прогнозируемой, рассчитанной по формуле. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
По полученным формулам (1, 2) построен график (рис. 9), отображающий зависимость высоты пика огранки от ряда факторов, и установлена степень влияния каждого из них.
Наблюдается частичная сходимость предсказанных значений с экспериментальными данными. Начиная с 4 и по 9 опыт наблюдаются видимые расхождения в пределах от 0,001 до 0,005 мм. В результате того, что в расчетной формуле не отражено влияние геометрии режущего инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала, на процесс формирования максимальной высоты пика огранки.
Анализ полученных зависимостей показывает, что зависимость высоты пика огранки от подачи линейная при ее увеличении (рис. 10, а, б, в), однако, имеются зоны, где влияние осевой глубины фрезерования =1,6…2,0 мм не существенно (рис. 10, а). Наименьшая величина огранки наблюдается при ширине фрезерования в диапазоне 3,5…5,5 мм (рис. 10, б, е) при высоких значениях подачи на зуб и низкой скорости резания . Однако при средних значениях величин , , (рис. 10, г, д, е) наблюдаются зоны образования наибольшей высоты огранки, вероятно связанной с образованием наклепа на режущую кромку инструмента.
В результате исследования огранки определено наибольшее влияние на ее возникновение ширины фрезерования при значениях , > 2,5 мм, однако при увеличении свыше ½ диаметра инструмента, возможно возникновение вибраций приводящих к повышенному износу режущей кромки.
Проведено исследование процесса образования огранки при точении фрезерованием образцов из быстрорежущей стали Р6М5К5-МП на токарном обрабатывающем центре с приводным управлением. Определено влияние составляющих подачи инструмента, таких как собственно минутная подача фрезы и подача, определяемая частотой вращения заготовки на формирование огранки поверхности. Показано, что оптический профилометр является эффективным средством измерения огранки, позволяющим получить объективные результаты с минимальной трудоёмкостью. Достигнутое в ходе проведения опытных работ максимальное значение величины пика составляет 0,002 мм, что является удовлетворительным результатом т.к. соответствует третьей степени точности допуска цилиндричности, круглости профиля продольного сечения.
