Niektóre elementy poddawane obróbce wykonane sąz materiałów, które przy toczeniu tworzą wióry ciągłe, są niewyważone, niesymetryczne bądź mają nieciągłości geometryczne.

Czynniki te obniżają jakość obrobionej powierzchni i wpływają niekorzystnie na trwałość narzędzi. Alternatywą względem klasycznego sposobu kształtowania takich elementów osiowosymetrycznych jest frezotoczenie, czyli inaczej frezowanie obrotowe. Podczas frezotoczenia zarówno przedmiot obrabiany, jak i narzędzie skrawające wykonują ruch obrotowy. Metoda ta ma szerokie zastosowanie. Można ją wykorzystywać do obróbki – zarówno wstępnej, jak i wykończeniowej – powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych.

Współpraca narzędzia i detalu

Podstawowym kryterium podziału typów frezowania obrotowego jest wzajemne usytuowanie osi narzędzia i przedmiotu obrabianego. Wyróżnia się frezowanie obrotowe ortogonalne, przy którym osie narzędzia i przedmiotu ułożone są wzajemnie prostopadle, i frezowanie obrotowe równoległościowe, czasami określane również jako frezotoczenie współosiowe lub walcowe, w którym osie narzędzia i przedmiotu są równoległe.

Jako dodatkowe kryterium podziału przyjmuje się wzajemne kierunki ruchu obrotowego przedmiotu obrabianego i narzędzia. Wówczas wyróżnia się frezowanie obrotowe przeciwbieżne, gdy kierunki ruchu obrotowego przedmiotu obrabianego i narzędzia są przeciwne, oraz frezowanie obrotowe współbieżne, gdy te kierunki są zgodne (tab. 1).

Podczas frezowania obrotowego równoległościowego przedmiot obrabiany, który jest zamocowany w uchwycie wrzeciona przedmiotowego, obraca się wokół swojej osi, tak jak przy obróbce toczeniem. Narzędzie natomiast zamocowane jest we wrzecionie narzędziowym, którego oś jest położona równolegle do osi przedmiotu obrabianego.

Frez oprócz ruchu obrotowego, który w głównej mierze decyduje o prędkości skrawania, może wykonywać ruch posuwowy wzdłużny w kierunku równoległym do osi przedmiotu obrabianego lub ruch promieniowy prostopadle do osi przedmiotu obrabianego.

Tabela 1. Podział frezotoczenia w zależności od usytuowania osi narzędzia i przedmiotu obrabianego oraz kierunku ich wzajemnego ruchu

Frezowanie obrotowe równoległościowe powierzchni zewnętrznych może przebiegać z zewnętrznym stykiem narzędzia skrawającego i przedmiotu obrabianego lub ze stykiem wewnętrznym – przy użyciu głowic z ostrzami skrawającymi skierowanymi do wewnątrz. Obróbka powierzchni wewnętrznych metodą frezowania obrotowego równoległościowego jest możliwa tylko ze stykiem wewnętrznym narzędzia z przedmiotem. Frezowanie obrotowe równoległościowe może wystąpić jako:

1) frezowanie obrotowe, przy którym istnieje w pierwszej fazie obróbki tylko posuw promieniowy, a w drugiej tylko posuw obwodowy – ruch obrotowy przedmiotu obrabianego (jest to tzw. wariant frezowania obrotowego na pełną głębokość naddatku obróbkowego),

2) frezowanie obrotowe, przy którym w pierwszej i drugiej fazie występuje jednocześnie posuw promieniowy i obwodowy, natomiast w trzeciej tylko posuw obwodowy.

W pierwszym przypadku w fazie początkowej ostrza wcinają się na żądaną głębokość skrawania. Obróbka na tym etapie podobna jest do frezowania walcowego obwodowego, a dobór parametrów skrawania może być dokonany na podstawie zaleceń dotyczących tej

Dla pierwszej fazy charakterystyczne są zmienna długość styku punktu krawędzi skrawającej z obrabianym przedmiotem oraz charakter zmian pola przekroju poprzecznego warstwy skrawanej (wzrost od zera do maksimum i ponowny spadek do zera), niezależnie od kierunków obrotów narzędzia i przedmiotu. W drugiej fazie, przy występującym posuwie obwodowym, zdjęcie naddatku obróbkowego następuje podczas jednego obrotu przedmiotu obrabianego.

Występują przy tym stałe parametry geometryczne warstwy skrawanej, a przebieg zmian przekroju poprzecznego tej warstwy jest podobny jak w fazie pierwszej. Frezowanie obrotowe walcowe powierzchni zewnętrznych ze stykiem zewnętrznym jest często zastępowane frezowaniem obrotowym ze stykiem wewnętrznym.

Frezotoczenie powierzchni wewnętrznych

Frezowanie obrotowe powierzchni wewnętrznych dzieli się na: frezowanie obrotowe planetarne oraz frezowanie obrotowe obiegowe.

W czasie frezowania obrotowego planetarnego obrabiany przedmiot wykonuje ruch posuwowy osiowy lub jest nieruchomy, natomiast frez walcowy wykonuje ruch obrotowy wokół własnej osi oraz ruch planetarny wewnątrz obrabianej powierzchni cylindrycznej.

Przy frezowaniu obrotowym obiegowym frez wykonuje wyłącznie ruch obrotowy wokół własnej osi, przedmiot obrabiany natomiast wykonuje ruch obrotowy i posuwowy osiowy. Przy tym sposobie obróbki otrzymuje się kinematycznie lepsze warunki skrawania (większa liczba ostrzy jest jednocześnie w kontakcie z materiałem obrabianym) niż w czasie frezowania obrotowego walcowego.

Niedoskonałości powierzchni

Jakość powierzchni obrobionych – określana wysokością ich mikronierówności – związana jest z kształtem oraz wielkością przekroju resztkowego warstwy skrawanej i zależy od następujących czynników: własności materiału obrabianego, geometrii ostrza skrawającego, parametrów skrawania, warunków chłodzenia, zużycia ostrza oraz sztywności układu OUPN (obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie).

Na uzyskaną jakość powierzchni wpływ ma\ usytuowanie osi narzędzia i przedmiotu obrabianego

Frezowanie obrotowe pomimo wielu zalet ma też sporą wadę. Są to uwarunkowane procesem niedoskonałości kształtu obrobionych powierzchni w kierunku obwodowym i wzdłużnym. W wyniku przerywanego procesu skrawania przy frezowaniu obrotowym powstają odchyłki rzeczywistego zarysu powierzchni przedmiotu obrabianego względem teoretycznego, który powinien być osiągnięty w wyniku obróbki. Na obwodzie powierzchni obrabianej powstają, w zależności od wartości parametrów procesu, ścięcia o różnej wielkości – uskoki. Układają się one w kształt wieloboku równobocznego na obwodzie przedmiotu obrabianego. Odchyłka od zadanego zarysu koła (przy obróbce powierzchni cylindrycznych) na krawędzi granicznej między dwoma uskokami określa kinematycznie uwarunkowane błędy okrągłości, względnie kinematyczną chropowatość.

Na uzyskaną jakość powierzchni wpływ ma usytuowanie osi narzędzia i przedmiotu obrabianego. Aby otrzymać powierzchnię o wysokiej jakości, trzeba zapewnić równoległe usytuowanie osi frezu i przedmiotu obrabianego. Przy takim frezowaniu bowiem osie narzędzia i przedmiotu obrabianego są w każdym przypadku równoległe.

Rozstaw osi obrotu detalu i narzędzia

Przy frezowaniu obrotowym ortogonalnym dużą rolę w procesie tworzenia powierzchni odgrywa wzajemne położenie narzędzia i przedmiotu obrabianego. Jednym z decydujących parametrów jest rozstaw osi obrotu przedmiotu i narzędzia, określany jako ekscentryczność lub mimośrodowość.

Przy centrycznym ustawieniu freza względem przedmiotu obrabianego wartość posuwu osiowego jest ograniczona długością pomocniczej krawędzi skrawającej. Charakterystyczne dla tego ustawienia jest to, że wszystkie punkty czołowej krawędzi skrawającej wchodzą w styk na obwodzie powierzchni obrobionej przedmiotu w tym samym czasie. W przypadku gdy posuw osiowy (wzdłużny) zostanie zwiększony do wartości przekraczającej długość czołowej krawędzi skrawającej na powierzchni części obrabianej, pojawiają się mikroskopijne odchyłki kształtu w kierunku wzdłużnym.

Dodatkowym ograniczeniem posuwu osiowego mogą być obciążenia krawędzi skrawającej pojawiające się przy obróbce materiałów trudnoskrawalnych. Wysoką jakość powierzchni obrobionej uzyskuje się w tym wariancie procesu przy dużych wartościach stosunku prędkości obrotowych narzędzia i przedmiotu.

Na dokładność kształtu wpływ mają też m.in. promień przedmiotu obrabianego i promień narzędzia

Zasadnicze zmiany w procesie obróbki daje zmiana rozstawu osi. Przy frezowaniu obrotowym z przestawionymi osiami frezu i przedmiotu obrabianego punkty czołowej krawędzi skrawającej osiągają średnicę obróbki po kolei. To zwiększa kąt styku krawędzi skrawającej z przedmiotem (kąt przylegania ostrza) oraz pozwala zwiększyć wartość posuwu wzdłużnego – do wartości równej długości rzutu pomocniczej (czołowej) krawędzi skrawającej na kierunek wzdłużny przedmiotu obrabianego, przy której nie zachodzi utrata jego cylindryczności. Istotna różnica między obróbką z centrycznie i mimośrodowo ustawionym narzędziem wiąże się z wpływem zmian sił skrawania na powierzchnię przedmiotu obrabianego. Większe wartości kąta styku czołowej krawędzi skrawającej z przedmiotem obrabianym wpływają ujemnie na jakość obrobionej powierzchni, szczególnie wtedy, gdy w styku jest mała liczba ostrzy skrawających.

Dokładność ustawienia ostrzy skrawających

Na jakość powierzchni obrobionej znacząco wpływa również dokładność ustawienia ostrzy skrawających. Jednym z założeń optymalnej konstrukcji narzędzia do obróbki precyzyjnej frezowaniem obrotowym jest zastosowanie mechanizmu, który pozwala na zmianę ustawienia wieloostrzowych płytek skrawających w celu wyeliminowania błędów ich ustawienia w korpusie narzędzia. Pogorszenie jakości otrzymywanej powierzchni w postaci wzrostu jej chropowatości lub falistości wynika z istnienia bicia osiowego przy frezowaniu obrotowym czołowym i bicia promieniowego ostrzy skrawających przy frezowaniu obrotowym równoległościowym.

Podczas frezowania obrotowego z równolegle ustawionym narzędziem i przedmiotem obrabianym ważną rolę odgrywa dokładność ruchu obrotowego krawędzi skrawających obwodowych. Nawet mała wartość bicia promieniowego jednej z głównych krawędzi skrawających przyczynia się do wzrostu chropowatości powierzchni.

Frez przeznaczony do obróbki, w której uzyskana ma być wysoka jakość powierzchni, powinien być wykonany jako narzędzie jednoostrzowe albo, gdy jest to narzędzie wieloostrzowe, należy zastosować wartości posuwu na ostrze takie jak dla narzędzi jednoostrzowych.

W celu otrzymania jak najmniejszej chropowatości powierzchni (mierzonej w kierunku wzdłużnym przedmiotu obrabianego) przy obróbce frezowaniem obrotowym obwodowym z posuwem wzdłużnym istotne jest, aby główna krawędź skrawająca miała kąt przystawienia równy 90°. Zmniejsza się wówczas wpływ oddziaływania zarysu naroża ostrza na generowana powierzchnię.

Przy ortogonalnej odmianie frezowania obrotowego należy zapewnić dokładność ruchu w płaszczyźnie wszystkich czołowych krawędzi skrawających frezu. Objętość skrawania przez główną krawędź frezu stanowi duży udział w całkowitej objętości warstwy skrawanej. Jakość powierzchni obrobionej jest jednak uzależniona od pomocniczej (czołowej) krawędzi skrawającej, która – skrawając resztę materiału – wygładza powierzchnię części obrabianej. To sprawia, że szczególnie duże wymagania stawiane są sztywności jednostki frezarskiej i konstrukcji narzędzia, które musi mieć nastawialne ostrza czołowe lub przeszlifowane ostrza od strony czołowej.

Ważna liczba ostrzy

Jakość wytwarzanej powierzchni i przebieg procesu skrawania zależą bezpośrednio od liczby ostrzy jednocześnie skrawających materiał danego przedmiotu. Obróbka frezowaniem obrotowym z liczbą ostrzy czynnych mniejszą niż jedno przebiega w bardzo trudnych warunkach ze względu na dużą dynamikę procesu. Jest ona szkodliwa dla obrabiarki i narzędzia, wpływa też na pogorszenie jakości powierzchni obrabianej.

W takim przypadku często zdarzają się wykruszenia krawędzi skrawających. Znacznie lepsze warunki pracy występują, kiedy liczba ostrzy skrawających będących jednocześnie  w kontakcie z przedmiotem obrabianym jest większa niż jedno. Taki proces skrawania przebiega spokojnie, gdyż mniejsze są zmiany sił skrawania w czasie kontaktu ostrza z materiałem obrabianym.

Co jeszcze wpływa na dokładność kształtu

Odchyłka kształtu powierzchni przedmiotu obrobionego za pomocą frezotoczenia jest określona makrogeometrycznie przez kinematykę ruchu narzędzia i przedmiotu obrabianego. Na dokładność kształtu wpływ mają też m.in. promień przedmiotu obrabianego i promień narzędzia. Ponieważ średnica powierzchni obrabianej wynika z przyjętego zadania obróbkowego, nie można jej wykorzystać w celu optymalizacji jakości powierzchni. Wpływ na jakość powierzchni obrabianego detalu mają natomiast: wspomniany już promień frezu, liczba ostrzy frezu oraz stosunek prędkości obrotowych narzędzia i części obrabianej.

Sterowanie parametrami jakości powierzchni przy frezowaniu obrotowym równoległościowym może być dokonywane przy użyciu tzw. współczynnika trajektorii μ, który wynika z ilorazu stosunku prędkości obrotowych frezu i przedmiotu obrabianego do stosunku promieni przedmiotu i narzędzia. Stanowi on miarę jakości powierzchni obrobionej.

Na uzyskaną jakość powierzchni wpływa również prędkość obrotowa narzędzia skrawającego i prędkość obrotowa przedmiotu obrabianego – najczęściej rozpatrywane wspólnie. Stosunek prędkości obrotowych narzędzia i przedmiotu obrabianego λ jest jednym z najważniejszych parametrów procesu.

Decyduje o jakości wytwarzanej powierzchni i ma wpływ na wydajność procesu oraz trwałość narzędzia. Zwiększenie stosunku prędkości obrotowych prowadzi do zmniejszenia błędów powierzchni. Zastosowanie dodatkowych obrotów przedmiotu obrabianego prowadzi do zmniejszenia błędów kształtu powierzchni, ale powoduje też wydłużenie czasu obróbki.

Dlatego ten sposób poprawy jakości powierzchni stosowany jest wtedy, gdy optymalizacja innych parametrów procesu frezowania obrotowego nie przynosi pożądanych skutków. Uzyskanie pożądanej jakości powierzchni frezotoczeniem jest uwarunkowane znajomością wpływu na ten proces wielu różnych czynników. Wśród nich bardzo ważne są czynniki technologiczne determinujące warunki przebiegu procesu i czynniki związane z narzędziem skrawającym.