Frezowanie płaszczyzn to frezowanie czołowe, czyli takie, w którym frez obrabia przedmiot ostrzami położonymi na powierzchni czołowej i oś frezu jest prostopadła do powierzchni obrabianej. Cechuje się wysoką wydajnością, stabilnym obciążeniem, dobrą dokładnością obróbki i większą gładkością powierzchni obrobionej. Ze względu na swoje właściwości frezowanie czołowe sprawdza się bardzo dobrze w obróbce płaszczyzn (powierzchni płaskich). Można tu stosować frezy czołowe i walcowo-czołowe.

Parametry i narzędzia
W zależności od rodzaju obrabianego materiału i rodzaju frezów (materiału, budowy) prędkości skrawania wynoszą od 16 do 1000 m/min. Posuw roboczy na ostrze uzależniony jest od rodzaju frezu, jego średnicy, materiału obrabianego i sztywności przedmiotu obrabianego. Dobór parametrów obróbkowych zawsze stanowi wyzwanie dla technologa, jednak wsparcie systemów CAE (ang. Computer Aided Engineering) oferowane przez dostawców narzędzi znacznie przyspiesza proces technologicznego uruchomienia produkcji.

Do parametrów technologicznych frezowania czołowego zalicza się: prędkość skrawania (vc), posuw roboczy minutowy (ft), posuw na jeden obrót, posuw na jedno ostrze, głębokość frezowania (ap), oznaczającą grubość warstwy materiału suwanej w trakcie jednego przejścia frezu, i szerokość skrawania (ae), czyli promieniową szerokość frezu zaangażowaną w obróbkę powierzchni. Określenie średnicy frezu jest ogólnikowe, dlatego precyzyjne ustalenie parametrów obróbkowych wymaga określenia efektywnej średnicy frezu (dcap). Jest to szczególnie istotne przy frezach z płytkami okrągłymi oraz wszystkich frezach o dużym promieniu naroża i kącie przystawienia mniejszym niż 90°.

Frezowanie płaszczyzn może być przeprowadzane za pomocą różnego rodzaju frezów. Przeważnie stosowane są te z kątem przystawienia 45°, choć używa się także frezów z płytkami okrągłymi i walcowo-czołowych (rys. 1). Frez o kącie przystawienia 45° sprzyja zmniejszaniu grubości wiórów, co przyczynia się do wzrostu wydajności obróbki. Natomiast frezy o kącie przystawienia 90° przeznaczone są przedmiotów cienkościennych i obróbki przedmiotów o utrudnionym mocowaniu.

Płytki okrągłe z kolei mają wiele krawędzi skrawających, co wpływa na płynny przebieg obróbki. Przeznaczone są m.in. do obróbki stopów żaroodpornych.

Nie w każdych warunkach
Właściwe frezowanie czołowe płaszczyzn, zapewniające spełnienie wymagań jakościowych – dotyczących dokładności geometrycznej czy chropowatości powierzchni – wiąże się z koniecznością zachowania określonych warunków obróbki. Średnica frezu powinna być od 20 do 50% większa niż przedmiot obrabiany. W celu uzyskania określonego formowania się wióra (od grubego do cienkiego) zalecane jest frezowanie współbieżne. Frez powinien być przy tym pozycjonowany mimośrodowo, aby ułatwić formowanie się jak najcieńszego wióra na wyjściu.

Trzeba również pamiętać o unikaniu wielokrotnego wchodzenia i wychodzenia frezu z materiału (przedmiotu), obróbka taka sprzyja bowiem powstawaniu niekorzystnych naprężeń na krawędzi skrawającej. Da się tego uniknąć poprzez odpowiednie zaplanowanie ścieżki przebiegu narzędzia. Przy obróbce powierzchni nieciągłych dopuszczalne jest zmniejszenie dobranej prędkości posuwu roboczego o 50% przy przerwaniach.

W przypadku czołowego frezowania płaszczyzn elementów cienkościennych o niewielkiej sztywności (podatnych na odkształcenia) należy uwzględnić kierunek głównych sił skrawania w kontekście stabilności przedmiotu obrabianego i uchwytu obróbkowego. Do obróbki takich przedmiotów zaleca się stosowanie frezów walcowo-czołowych o kącie przystawienia 90° – ze względu na promieniowy kierunek sił skrawania.

Podczas frezowania walcowo-czołowego główną pracę procesu wykonują ostrza na obwodzie frezu, a te na czole frezu tylko wyrównują powierzchnię obrobioną. Zastosowanie ostrych dodatnich krawędzi skrawających pozwala na minimalizację sił skrawania. Zaleca się tu stosowanie frezów o rzadkiej podziałce, które zapewniają jak najmniejszą liczbę krawędzi zaangażowanych jednocześnie w obróbkę. Kiedy jednak frezowaniu podlegają płaszczyzny na krawędziach cienkich elementów, należy wybrać taką podziałkę frezu, która zapewni jednoczesne zaangażowanie w obróbkę więcej niż jednej płytki skrawającej (gęstsza podziałka frezu).

Mimośrodowe ustawienie frezu zapewnia płynniejszą obróbkę płaszczyzn na krawędziach elementów cienkościennych, a siły skrawania mają kierunek wzdłuż ścianki, co minimalizuje wystąpienie niekorzystnych drgań. W tym celu należy dobierać płytki skrawające o mniejszym promieniu i krótszej pomocniczej krawędzi skrawającej (mała głębokość skrawania – ap i niewielka szybkość posuwu na ząb – fz).

Obróbka szybkościowa
Przy frezowaniu czołowym aluminium bądź żeliwa z zastosowaniem płytek skrawających CBN lub ceramicznych dopuszczalne prędkości skrawania mogą przekroczyć 1000 m/min, co oznacza, że mamy do czynienia z obróbką szybkościową (High SpeedMachining – HSM). W przypadku frezów z bardzo małymi kątami przystawienia możliwe jest znaczące zwiększenie posuwu na ząb (fz), co wynika ze zjawiska ścieniania wióra przy niewielkiej głębokości skrawania (ap).

We frezowaniu wysokowydajnym (ang. High Performance Machining – HPM) stosuje się frezy o dużych średnicach, co pozwala przy standardowych ap i fz i jednoczesnym dużym ae (szerokość skrawania) uzyskać obróbkę wysokowydajną. W zależności od liczby ostrzy frez może mieć tu podziałkę rzadką, normalną i gęstą. W przypadku frezów czołowych o bardzo gęstej podziałce, wykorzystywanych m.in. do materiałów z krótkimi wiórami, jak np. żeliwo szare, możliwe jest stosowanie dużych posuwów stołu roboczego. W ten sposób uzyskuje się niską prędkość skrawania, ale gęsta podziałka pozwala na zwiększenie wydajności obróbki.

Chropowatość pod lupą
Rysunek 2 przedstawia szkic modelowania efektów obróbki płaszczyzny z wykorzystaniem frezu czołowego (głowicy frezarskiej z płytkami skrawającymi) w celu przewidywania chropowatości obrobionej powierzchni. Optymalizacja posuwu roboczego przy frezowaniu czołowym to jedno z wielu zagadnień podejmowanych w kontekście optymalizacji procesów technologicznych. Poza kilkoma wyjątkami kryterium nadrzędnym są koszty produkcji, uzależnione od wielu innych kryteriów, np. czasu głównego maszynowego (tg).

We frezowaniu czołowym posuw roboczy ma istotny wpływ na chropowatość obrobionej powierzchni. W wyniku przeprowadzonych badań, podczas których przeanalizowano wpływ błędów w ustaleniu płytek skrawających i zmienności posuwu roboczego na dokładność geometryczną i właściwości warstwy wierzchniej (chropowatość), stwierdzono, że uzyskana w wyniku obróbki chropowatość powierzchni nie zależy od wszystkich płytek zamontowanych w głowicy narzędziowej, lecz jedynie od określonej ich liczby. Jak pokazuje rys. 3, płytka nr 4 nie ma żadnego wpływu na ostateczną chropowatość powierzchni obrobionej. Wynika to z różnic w ustawieniach płytek w głowicy względem siebie: wahają się od -0,032 do +0,005 w stosunku do płytki odniesienia. Jeżeli błąd wzajemnego ustawienia płytek nie jest znaczny, można założyć, że każda płytka bierze udział w kształtowaniu powierzchni. Przy zestawieniu ruchu obrotowego głowicy z ruchem posuwowym poszczególne płytki zakreślają swoją własną ścieżkę. W wyniku złożenia wszystkich ścieżek widać, że tylko niektóre płytki odgrywają zasadniczą rolę w kształtowaniu chropowatości.

Współczynnik charakteryzujący chropowatość [μm] rośnie wraz ze wzrostem posuwu roboczego [mm/min]. Opracowany model obróbki pozwalał na przeprowadzenie obliczeń chropowatości na poziomie akceptowalnym – różnica między pomiarami rzeczywistymi chropowatości a wynikami obliczeń na podstawie modelu wynosiła ok. 3 μm. Jak wiadomo, uzyskanie niskiej chropowatości wymaga dobrania odpowiednio niskiej wartości posuwu roboczego. Jednak im większe były błędy wzajemnego ustawienia płytek w głowicy narzędziowej, tym większą uzyskiwano chropowatość.
Opracowany model dla frezowania czołowego pozwolił na wyznaczenie właściwej wartości posuwu roboczego w celu maksymalizacji objętości usuwanego materiału z zachowaniem żądanej chropowatości.

Zgrubna obróbka półfabrykatów
Frezowanie czołowe powierzchni płaskich jest także wykonywane jako obróbka zgrubna półfabrykatów z materiałów kutych i walcowanych, odlewów czy materiałów spawanych. Występują tu znaczne obciążenia głównej krawędzi skrawającej przy pełnej głębokości skrawania. Zaleca się frezy o kącie przystawienia równym 60°, które zapewniają zastosowanie właściwej głębokości skrawania i równe siły skrawania. Efekt ścieniania wióra umożliwia zastosowanie wysokich prędkości posuwu roboczego.

Frezowanie płaszczyzn stosowane jest nie tylko przy dużych powierzchniach, ale także przy płaszczyznach specyficznych krawędzi, np. korpusów. W ramach zdefiniowanego obszaru obróbki można spotkać sprzeczne wymagania co do parametrów samego procesu, dlatego należy właściwie rozpoznać warunki danej obróbki, by wdrożyć odpowiednią technologię.