Фрезы шпоночные: виды, размеры по ГОСТ 9140 и как выбрать под шпоночный паз

Шпоночные фрезы — это специальный тип концевого инструмента, который предназначен для одной конкретной операции: фрезерования шпоночных пазов. Казалось бы, обычная концевая фреза тоже может прорезать паз в валу. На практике же шпоночный паз имеет жесткие требования по ширине и допускам, а его обработка врезанием в торец недоступна большинству стандартных фрез. Поэтому в оснастке любого цеха, который ремонтирует или изготавливает валы, муфты, звездочки и шкивы, обязательно найдется набор шпоночных фрез разных диаметров.

В этой статье разберем, что такое шпоночная фреза, чем она отличается от концевой, какие виды выпускаются по ГОСТ 9140, как подобрать диаметр под конкретный паз по ГОСТ 23360 и на каких режимах работать, чтобы паз получился точным, а инструмент — долговечным.

Что такое шпоночная фреза и зачем она нужна

Шпоночное соединение — один из самых распространенных способов передачи крутящего момента с вала на ступицу (зубчатое колесо, шкив, муфту, звездочку). В валу и в ступице фрезеруются продольные пазы, в которые вставляется призматическая шпонка — закаленный стальной брусок прямоугольного сечения. Шпонка одновременно входит в паз вала и в паз ступицы, блокируя взаимный поворот деталей.

Главный размер шпоночного паза — его ширина. Именно ширина определяет посадку шпонки, а значит — работоспособность всего соединения. Допуски на ширину паза составляют сотые доли миллиметра (H9 и аналогичные), поэтому паз нельзя прорезать «как получится», а затем подогнать. Его нужно фрезеровать инструментом, диаметр которого точно равен ширине паза.

Отсюда и ключевая особенность шпоночных фрез: их диаметр всегда равен ширине фрезеруемого паза. Если паз нужен шириной 10 мм — берется фреза диаметром 10 мм, и никакая другая. Поэтому шпоночные фрезы выпускаются не сплошным размерным рядом с шагом в миллиметр, а строго по размерам стандартных шпонок: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 мм и так далее.

Конструкция: почему шпоночная фреза двухзубая

Внешне шпоночная фреза похожа на короткую концевую, но у нее есть два принципиальных отличия.

Первое — количество зубьев. Подавляющее большинство шпоночных фрез — двухзубые. Два зуба расположены строго diametrically противоположно, что позволяет фрезе резать в центре торца. Четырехзубая или трехзубая концевая фреза в центре торца не режет вообще: там нет режущих кромок, и при осевой подаче она просто не может заглубиться в сплошной материал — она начнет тереть и отжиматься.

Двухзубая шпоночная фреза с центровым резанием свободно врезается в торец вала вертикальной подачей, как сверло. Именно это свойство и нужно для шпоночного паза: паз начинается не с края детали, а в произвольном месте вдоль вала.

Второе отличие — короткая режущая часть и усиленное сечение. Сердцевина двухзубой фрезы толще, чем у четырехзубой того же диаметра (зубья мельче, впадины уже), поэтому она заметно жестче на кручение и изгиб. Для паза это критично: фреза работает с полным контактом обеих кромок по всей длине паза, нагрузка высокая, а любое дрожание сразу «разбивает» ширину паза.

Конструктивно шпоночная фреза состоит из хвостовика, шейки и режущей части. На торце режущей части зубья сходятся к центру и образуют режущие кромки, которые и обеспечивают осевое врезание. Боковые (периферийные) кромки калибруют стенки паза по ширине.

Виды шпоночных фрез по ГОСТ 9140

Размеры и технические условия на шпоночные фрезы определяет ГОСТ 9140 — действующая редакция стандарта ГОСТ 9140-2015 (ранее ГОСТ 9140-78). Стандарт охватывает фрезы с тремя типами хвостовиков:

• с цилиндрическим хвостовиком — самый массовый тип, для цанговых и быстрозажимных патронов на универсально-фрезерных станках и обрабатывающих центрах;
• с коническим хвостовиком Морзе — для станков, где фреза устанавливается непосредственно в шпиндель или переходную втулку;
• с хвостовиком конусностью 7:24 — для шпинделей обрабатывающих центров с автоматической сменой инструмента.

По геометрии ГОСТ 9140 гармонизирован с международным стандартом ISO 1641, поэтому импортные аналоги (слот-дриллы, slot drills, keyway cutters) взаимозаменяемы с отечественными по посадочным размерам.

По типу хвостовика

В каталоге AGTEH шпоночные фрезы представлены двумя основными группами по хвостовику.

Фрезы шпоночные с цилиндрическим хвостовиком — универсальный выбор для большинства фрезерных станков. Диаметры в наличии — от 3 до 25 мм: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 20, 22, 24 и 25 мм. Диаметр хвостовика у фрез до 10 мм, как правило, совпадает с диаметром режущей части (фреза монолитная), у более крупных диаметров хвостовик может быть толще рабочей части, что повышает жесткость.

Отдельная подгруппа — удлиненные фрезы с цилиндрическим хвостовиком (6, 8, 10 и 12 мм) с увеличенной длиной режущей части. Они нужны, когда паз требуется прорезать на значительном удалении от торца вала или в глубокой выточке, куда стандартная короткая фреза просто не достает.

Фрезы шпоночные с коническим хвостовиком Морзе — от 10 до 40 мм в ходовом ряду, в каталоге встречаются и крупные исполнения до 70 мм. Посадочный конус — КМ1, КМ2 и выше в зависимости от диаметра: например, фреза диаметром 10–14 мм идет с конусом КМ1–КМ2, а фрезы от 20 мм — с более крупным конусом. Конический хвостовик дает максимальную жесткость и точность центрирования, исключая биение патрона.

По материалу режущей части

Быстрорежущая сталь Р6М5 — базовое исполнение для обработки конструкционных и низколегированных сталей, чугуна, цветных металлов. Хорошо держит заточку, доступна по цене, допускает многократную переточку.

Кобальтовая сталь Р6М5К5 — легирована кобальтом, что повышает красностойкость: фреза сохраняет твердость при более высоком нагреве кромки. Это исполнение выбирают для нержавеющих, жаропрочных и труднообрабатываемых сталей, а также когда нужно поднять режимы резания без потери стойкости. В каталоге Р6М5К5 есть как с цилиндрическим хвостовиком, так и с коническим.

Монолитный твердый сплав с покрытием AlTiN — для самых ответственных работ: обработка закаленных сталей, высокие подачи на станках с ЧПУ, максимальная стойкость. Твердосплавные шпоночные фрезы в каталоге перекрывают малые диаметры — от 2 до 12 мм, где инструмент из быстрорежущей стали слишком гибкий и быстро изнашивается. Покрытие AlTiN (нитрид алюминия и титана) снижает трение, отводит тепло и заметно продлевает жизнь фрезы при работе без обильной СОЖ.

Как читать обозначение размера шпоночной фрезы

В карточках товаров и в маркировке размер шпоночной фрезы записывают тремя числами, например ф 10х13х63 мм:

• 10 мм — диаметр фрезы D, он же ширина фрезеруемого паза;
• 13 мм — длина режущей (рабочей) части;
• 63 мм — общая длина инструмента.

Для удлиненных исполнений среднее число заметно больше: фреза ф 8.0х35х75 мм имеет режущую часть 35 мм и общую длину 75 мм. У фрез с коническим хвостовиком общая длина включает конус: ф 10х13х83 мм КМ2 — диаметр 10 мм, режущая часть 13 мм, общая длина с конусом Морзе 83 мм.

При выборе обращайте внимание в первую очередь на первое число — диаметр. Оно должно точно совпадать с шириной паза по чертежу. Длина режущей части должна с запасом перекрывать глубину паза: если паз глубже режущей части, фреза начнет тереться шейкой о стенки.

Таблица: шпоночные пазы по ГОСТ 23360 и размеры фрез

Размеры призматических шпонок и соответствующих пазов устанавливает ГОСТ 23360-78 (аналог DIN 6885). Сечение шпонки зависит от диаметра вала: чем толще вал, тем больше крутящий момент он передает и тем массивнее нужна шпонка. Ширина паза b всегда равна ширине шпонки, а значит — диаметру шпоночной фрезы.

Ниже приведена справочная таблица для наиболее ходового диапазона диаметров валов (точные значения и допуски — по тексту ГОСТ 23360-78):

Как пользоваться таблицей на практике. Допустим, нужно прорезать паз в валу диаметром 45 мм. Находим диапазон 44–50 мм — ему соответствует шпонка сечением 14×9 мм. Значит, паз нужен шириной 14 мм, и берем фрезу диаметром 14 мм. Глубина паза вала t1 — 5,5 мм, поэтому режущей части длиной 16 мм (фреза 14х16х73 мм) с запасом хватает.

Для вала 30 мм диапазон 30–38 мм — шпонка 10×8, паз шириной 10 мм, фреза диаметром 10 мм. Для вала 20 мм — шпонка 6×6, фреза 6 мм. Запомнить просто: диаметр фрезы равен ширине паза, а ширина паза равна ширине шпонки по таблице ГОСТ 23360.

Как выбрать шпоночную фрезу: пошаговый алгоритм

Сводим выбор к пяти шагам.

Шаг 1. Определите ширину паза. Посмотрите чертеж или измерьте шпонку, которая будет установлена. Ширина паза b должна быть равна ширине шпонки с нужной посадкой (обычно H9 для паза вала). Это и есть диаметр фрезы.

Шаг 2. Определите глубину паза и длину режущей части. Глубина паза вала t1 берется из ГОСТ 23360 (см. таблицу выше). Длина режущей части фрезы должна быть больше t1 минимум на 1–2 мм. Для стандартных пазов подойдут обычные фрезы с режущей частью 13–22 мм; для глубоких пазов в крупных валах берите удлиненные исполнения.

Шаг 3. Выберите тип хвостовика под свой станок. Если фреза крепится в цанговый патрон ER или быстрозажимной патрон — нужен цилиндрический хвостовик. Если станок имеет шпиндель с конусом Морзе и вы хотите максимальную жесткость без промежуточных патронов — берите фрезу с коническим хвостовиком КМ1/КМ2. На обрабатывающих центрах с конусом 7:24 фрезы устанавливаются через переходные оправки или специальные держатели.

Шаг 4. Подберите материал фрезы под обрабатываемый материал. Конструкционная сталь, чугун, цветные металлы — достаточно Р6М5. Нержавеющая, жаропрочная, титановые сплавы — берите Р6М5К5. Закаленные стали свыше 35–40 HRC, серийное производство на ЧПУ, малые диаметры — монолитный твердый сплав с покрытием AlTiN.

Шаг 5. Проверьте наличие по каталогу. В разделе «Фрезы шпоночные» собраны фрезы с цилиндрическим и коническим хвостовиком из Р6М5 и Р6М5К5, а в разделе «Фрезы шпоночные твердосплавные» — монолитные твердосплавные исполнения. Например, ходовая фреза под паз 10 мм на валу 30–38 мм — «Фреза шпоночная с цилиндрическим хвостовиком ф 10х13х63 мм» (214 ₽), а для нержавейки — «ф 10х13х83 мм КМ1 Р6М5К5» с коническим хвостовиком (785 ₽).

Режимы резания для шпоночных фрез

Шпоночный паз фрезеруется в два движения: сначала фреза врезается в торец вала вертикальной подачей, затем движется вдоль оси вала, удлиняя паз. Режимы резания для этих двух движений разные.

Осевое врезание и маятниковая подача

Врезаться сразу на всю глубину паза (5–9 мм для ходовых размеров) можно только на жестком станке с ЧПУ твердосплавной фрезой. На универсальном станке с ручной подачей применяют классический прием — маятниковое фрезерование:

1. Фреза врезается по оси на небольшую глубину (2–4 мм);
2. Продольной подачей проходит участок паза длиной 10–20 мм;
3. Фреза возвращается в исходную точку, снова заглубляется еще на 2–4 мм;
4. Цикл повторяется, пока паз не будет прорезан на полную глубину по всей длине.

Такая схема разгружает инструмент: за каждый проход снимается небольшой объем металла, стружка не забивает канавки, фреза не перегревается, а ширина паза остается стабильной. Метод назван маятниковым за возвратно-поступательное движение фрезы — вперед с резанием, назад без резания, с постепенным заглублением.

Ориентировочные режимы

Скорость и подача зависят от станка, жесткости оснастки и материала. Приведенные значения — разумная отправная точка для подбора:

При осевом врезании подачу снижайте в два раза относительно продольной. С малыми диаметрами (до 6 мм) работайте на нижней границе скоростей: тонкая фреза хуже отводит тепло и быстрее ломается при перегрузке.

СОЖ обязательна при работе по стали: эмульсия или масло отводит тепло из зоны резания, смазывает кромки и вымывает стружку из паза. При работе по чугуну СОЖ можно не применять — стружка ломается на мелкую пыль, а вот продувка сжатым воздухом помогает.

Типичные ошибки при фрезеровании шпоночных пазов

Даже с правильно подобранной фрезой паз легко испортить. Вот самые частые проблемы и их причины.

Паз получается шире номинала (разбивка). Классическая причина — биение фрезы в патроне, изношенный шпиндель или слишком большой вылет инструмента. Проверьте биение индикатором: допустимо не более 0,01–0,02 мм. Не выставляйте фрезу с большим вылетом, чем нужно, и используйте качественные цанги.

Паз несимметричен относительно оси вала. Фреза уводит в сторону из-за неравномерного припуска или неправильной центровки. Перед фрезерованием паза фрезеруйте лыску или используйте кондуктор; на ЧПУ проверяйте нулевую точку по диаметру вала.

Стенки паза рваные, с наростами. Низкая скорость, тупая фреза или неправильная геометрия для данного материала. Переточите или замените фрезу, увеличьте скорость, добавьте СОЖ.

Шпонка не входит в паз. Паз получился уже номинала — частая причина в том, что фреза диаметром меньше ширины паза (например, взяли 8 мм вместо 8,5 мм нестандартного паза) или инструмент «сжался» из-за биения в плюс по одной стенке. Контролируйте фактический диаметр фрезы микрометром перед установкой.

Поломка фрезы при врезании. Слишком большая вертикальная подача, забитая стружка в канавках, слабое крепление заготовки. Врезайтесь медленнее, дайте СОЖ и убедитесь, что вал надежно закреплен в тисках или на призме.

Перегрев и быстрое затупление. Завышена скорость, недостаточно охлаждения или материал требует кобальтовой/твердосплавной фрезы, а не Р6М5. Появление коричневого оттенка на кромках — верный признак перегрева.

Износ и переточка шпоночных фрез

Признаки того, что фрезу пора точить или менять: увеличение усилия резания, визг, ухудшение чистоты стенок паза, появление заусенцев по кромкам, рост размера паза (фреза «садится» по диаметру). Быстрорежущие фрезы Р6М5 и Р6М5К5 допускают многократную переточку: точат по задней поверхности зубьев на универсально-заточном станке, сохраняя центровое резание в торце. Перетачивать нужно и торец, и периферию, иначе фреза потеряет способность врезаться.

Твердосплавные монолитные фрезы перетачивать сложнее (нужен алмазный круг и опыт), поэтому при значительном износе их чаще заменяют. Зато при правильной эксплуатации они выдерживают в разы больше пазов до первой переточки, чем быстрорежущие.

Частые вопросы о шпоночных фрезах

Вопрос: Чем шпоночная фреза отличается от обычной концевой? Ответ: Шпоночная фреза — двухзубая и режет в центре торца, поэтому способна врезаться вертикально в сплошной материал. Концевая четырехзубая фреза в центре не режет и для прорезания паза с нуля непригодна. Кроме того, диаметр шпоночной фрезы жестко привязан к стандартным размерам шпонок, а ее режущая часть короче и жестче.

Вопрос: Какой диаметр фрезы нужен для шпонки 8 мм? Ответ: Ровно 8 мм — ширина паза равна ширине шпонки. По ГОСТ 23360 шпонка 8×7 мм применяется для валов диаметром 22–30 мм, глубина паза вала — 4,0 мм. Подойдет любая шпоночная фреза диаметром 8 мм с режущей частью длиннее 4–5 мм.

Вопрос: Можно ли шпоночной фрезой фрезеровать обычные пазы и уступы? Ответ: Можно, но нерационально. Из-за малого числа зубьев и короткой режущей части производительность при выборке больших объемов металла низкая. Для фрезерования уступов, Т-образных пазов и открытых пазов лучше использовать концевые фрезы с нужным числом зубьев, а шпоночную беречь для прямого назначения.

Вопрос: Когда брать фрезу из Р6М5К5, а когда из твердого сплава? Ответ: Р6М5К5 — это улучшенная быстрорежущая сталь для нержавеющих и жаропрочных сталей на универсальных станках: она заметно стойчее Р6М5, но так же проста в переточке. Твердый сплав нужен для закаленных материалов, высоких режимов на ЧПУ и малых диаметров, где быстрорежущая фреза гнется и быстро тупится. Он дороже, но в серийном производстве окупается стойкостью.

Вопрос: Почему шпоночные фрезы почти всегда двухзубые? Ответ: Два diametrically противоположных зуба — минимальное число, при котором торцевые кромки доходят до центра фрезы и обеспечивают осевое врезание. Увеличение числа зубьев сделало бы невозможным центровое резание либо потребовало бы поднутрения сердцевины, что ослабило бы инструмент.

Вопрос: Что делать, если паз нужен нестандартной ширины, например 11 мм? Ответ: Подобрать фрезу точного диаметра. В каталоге есть фрезы с шагом 1 мм (7, 9, 11, 13, 15 мм и т. д.), так что нестандартные пазы тоже закрываются. Если требуется паз шире стандартной шпонки — используйте фрезу нужного диаметра либо обрабатывайте паз в два прохода с переустановкой.

Вопрос: Можно ли резать шпоночный паз в закаленном валу? Ответ: Да, если твердость до 45–50 HRC — твердосплавной фрезой с покрытием AlTiN на пониженных подачах. При более высокой твердости шпоночный паз экономичнее не фрезеровать, а прошивать или электроэрозионно вырезать, поскольку фреза будет быстро изнашиваться.

Резюме

Шпоночная фреза — узкоспециализированный, но незаменимый инструмент: ни одна концевая фреза не заменит ее при прорезании точных пазов под призматические шпонки. Главные правила выбора просты: диаметр фрезы равен ширине паза (и ширине шпонки по ГОСТ 23360), тип хвостовика выбирается под станок, а материал фрезы — под обрабатываемый материал (Р6М5 — для обычных сталей, Р6М5К5 — для нержавеющих, твердый сплав AlTiN — для закалки и высоких режимов). Не забывайте про маятниковую подачу при врезании, следите за биением и вовремя меняйте затупившийся инструмент — и пазы будут получаться точными с первого раза.

📞 Звоните: +7 (905) 350-43-77 📦 Каталог: https://agteh.ru/catalog/ 🔧 Фрезы шпоночные в наличии — твердосплавные исполнения