При выборе режущего инструмента всегда следует учитывать возможности оборудования, технику обработки, особенности программирования, способ зажима заготовки и инструмента.

По мере развития технологий обработки и инструмента всё больше предприятий, производящих инструмент для изготовления литьевых форм, внедряют появляющиеся инновации, оптимизируя технологический процесс, тем самым сокращая длительность цикла операций и получая значительное улучшение качества обработанной поверхности. При этом такие факторы, как возможности оборудования, применяемая техника обработки, программирование, зажим заготовки и инструмента являются обязательными членами уравнения при решении задачи о выборе инструмента. Не менее важна возможность анализа износа твердосплавных пластин с целью максимизации срока службы и предсказуемого поведения инструмента в операциях обработки литьевых форм.

Инструмент для обработки пресс-форм

При высокоскоростном фрезеровании следует избегать пауз в движении инструмента во время резания, поскольку при отсутствии движения фрезы во время смены направления резания выделяется излишняя теплота, перегревающая инструмент

Современные быстрые и мощные станки с развитыми возможностями программирования необходимы, когда речь заходит о максимально эффективном использовании режущего инструмента последнего поколения и внедрении высокоэффективных приемов обработки. Две наиболее популярные технологии фрезерования – фрезерование с высокой скоростью подачи и фрезерование с высокой скоростью резания — требуют особых типов режущего инструмента для успешного выполнения операций.

Приемы фрезерования

Всё большую популярность получают способы высокоскоростного (или динамического) фрезерования. Они так же эффективны и при использовании цельного твердосплавного инструмента. Этот способ фрезерования представляет собой оптимизированный способ черновой обработки, объединяющий в себе большую глубину резания и относительно небольшую глубину радиального контакта. Эта техника также эффективна при обработке материалов твердостью свыше 60 единиц по Роквеллу.

Для фрезерования с высокой скоростью подачи для снятия большей части материала рекомендуется использовать крупные твердосплавные пластины, спроектированные специально для этого способа обработки. По сути, процесс начинается с относительно больших фрез для черновой обработки, затем спускается до цельных или наборных фрез малого диаметра со сферической режущей частью, по мере приближения формы заготовки к готовому изделию.

Выбор диаметра фрезы осуществляется исходя из особенностей изготавливаемой формы, таких, как радиус скругления углов. Для фрезерования с большой скоростью подачи обычно используются наборные фрезы диаметром от 1.6 мм. При необходимости задействования фрез меньшего диаметра используются цельные твердосплавные фрезы.

Твердосплавные пластины, используемые при фрезеровании с большой скоростью подачи, могут быть различными, в зависимости от обрабатываемого материала, но в большинстве случаев используются фрезы с покрытиями, нанесенными методом парофазного осаждения, либо вставки из боразона (кубонита) – кубической модификации нитрида бора. Что касается геометрии пластины, треугольная форма обеспечивает наименьший главный угол резания, по сравнению с круглыми и квадратными пластинами. Меньший угол резания приводит к малой толщине стружки, что, в свою очередь, требует большей скорости подачи для сохранения постоянной толщины стружки при выбранной геометрии твердосплавной пластины. Меньший главный угол резания также направляет силу резания в осевом направлении, производя толкающее усилие в направлении шпинделя, что обеспечивает стабильность обработки и более благоприятно для оборудования. Большие углы резания дают более толстую стружку, не требуя при этом значительной корректировки скорости подачи. Однако, они создают значительную радиальную силу, вызывая вибрацию и повышенную нагрузку на подшипники шпинделя.

Для высокоскоростного фрезерования обычно используются твердосплавные фрезы с четырьмя удлиненными режущими гранями и стружколомами. Стружколомы разламывают стружку на мелкие частицы фиксированного размера, что облегчает удаление стружки как из зоны резания, так и из самого станка. Кроме того, сочетание максимальной ширины резания и стружколома при высокоскоростном фрезеровании значительно увеличивает производительность и срок службы инструмента благодаря более равномерной нагрузке.

Современные технологии и инструмент для изготовления литьевых форм

При выполнении операций с большой скоростью подачи должен быть задействован весь диаметр фрезы и не менее половины толщины твердосплавной пластины

При выполнении операций с большой скоростью подачи должен быть задействован весь диаметр фрезы и не менее половины толщины твердосплавной пластины. Это возможно благодаря тому, что фрезы для обработки с высокой скоростью подачи эффективно направляют подаваемую шпинделем силу резания в осевом направлении для поддержания баланса действующих сил. Фреза, задействованная менее чем на половину ширины твердосплавной пластины, подвержена повышенному давлению и вибрации, возникающим вследствие разбалансирования силы резания.

Для высокоскоростного фрезерования используются те же виды инструмента, что и для фрезерования с большой скоростью подачи (цельные и сборные твердосплавные концевые фрезы). Однако такой инструмент должен обладать геометрией, оптимизированной под высокие обороты шпинделя и скорость подачи, а также умеренную боковую нагрузку.

Фрезы с большим вылетом, эффективно работающие при ускоренной подаче, при высокоскоростном режиме не могут быть эффективными на столько же, как укороченные, за исключением случаев, когда применяются специализированные инструментальные зажимы с вибродемпфирующими свойствами, либо значительно снижена скорость резания. Когда инструмент с увеличенным рабочим вылетом работает со скоростью, превышающей рекомендованную, увеличение вибрации приводит к появлению сколов на режущих пластинах и их преждевременному износу.

Анализ износа твердосплавных пластин

Максимальный срок службы и предсказуемое поведение инструмента, сохранение точности обработки и рабочего состояния инструмента – очень важные моменты оптимизации процесса изготовления литьевых форм. Изготовителям форм важно обеспечить полное понимание причин ухудшения работоспособности инструмента и исследование изношенного инструмента на предмет причины, вызвавшей отказ или ухудшение работоспособности.

Прекрасным подспорьем процессу изучения причин отказа и преждевременного износа может оказаться стереоскоп с хорошей оптикой, соответствующим освещением и, как минимум, двадцатикратным увеличением.

Известны восемь основных причин, вызывающих преждевременный износ твердосплавных пластин. Три из них – износ задней поверхности, температурное растрескивание и появление сколов – возможны при использовании высокоскоростных методов фрезерования. Однако, при использовании режущих пластин, не соответствующих техпроцессу, могут проявиться и остальные пять причин.

Повреждения при высокоскоростном фрезеровании: износ задней поверхности, тепловые трещины и образование сколов Повреждения при высокоскоростном фрезеровании: износ задней поверхности, тепловые трещины и образование сколов Повреждения при высокоскоростном фрезеровании: износ задней поверхности, тепловые трещины и образование сколов

Фото: три наиболее распространенных вида повреждений при высокоскоростном фрезеровании – износ по задней поверхности, тепловые трещины и образование сколов

Причины преждевременного износа твердосплавных пластин

1. Износ задней поверхности

Этот дефект проявляется постепенно в процессе работы. Причиной тому  материал заготовки, который истирает поверхность и тупит режущие кромки твердосплавных пластин. При нормальном износе по задней поверхности, по всей задней поверхности режущей пластины образуется относительно равномерное пятно износа. Иногда металл заготовки втирается в режущую кромку и заметно увеличивает пятно износа.

Для замедления износа по задней поверхности необходимо применять пластины максимально возможной твердости, чтобы не выкрашивались, а также использовать прогрессивную геометрию режущей кромки для снижения сил резания и трения. С другой стороны, износ задней поверхности образуется при обработке абразивных материалов, таких, как ковкий чугун, кремний-алюминиевые сплавы, тугоплавкие сплавы, термически упрочненные стали, сплавы бериллия в меди и карбида вольфрама. Внешний вид преждевременного износа задней поверхности не отличается от обычного износа, но в случае обнаружения преждевременного износа целесообразно применение твердосплавных пластин либо более износостойких классов, либо изготовленных из более твердого материала, либо с усовершенствованным покрытием.

2. Язвенный износ

Это комбинация диффузионного и абразивного износа, вызывающая образование лунок в материале твердосплавных пластин. В условиях повышенного давления и температуры, создаваемых трением заготовки об инструмент, частицы поверхности режущего инструмента размягчаются и уносятся стружкой, создавая кратер на поверхности режущей пластины. Появившаяся язва увеличивается в размерах, пока не приведет к появлению скола на задней поверхности либо деформации и, следовательно, повышенному износу задней поверхности. Во избежание появления язвенного износа рекомендуется применение покрытия из оксида алюминия, хотя и любое другое распространенное инструментальное покрытие также противостоит язвенному износу.

3. Нарост на режущей кромке

Дефект образуется, когда частицы обрабатываемого материала, вследствие химического сродства и высокой температуры, «привариваются» под давлением к режущей кромке твердосплавной пластинки. В конечном итоге появившийся нарост обламывается, зачастую вместе с частью режущей кромки, приводя к образованию сколов и повышенному износу задней поверхности. Появление наростов можно выявить по неравномерности качества или хаотичному отклонению размеров обработанной поверхности, а также по блестящим включениям, появляющимся на передней или задней поверхностях режущего инструмента. Устранение появления наростов на режущей кромке осуществляется путем увеличения скорости резания или подачи, а также путем использования режущих пластин с покрытием из нитрида титана или со сглаженной геометрией, уменьшающей возникающие силы.

Сколы на режущей кромке появляются вследствие механической несбалансированности, зачастую вызванной недостаточной жесткостью соединений, изношенными подшипниками или самим шпинделем, твердыми включениями в обрабатываемом материале, а также прерывистым резанием (с ударом). Правильная установка инструмента, минимизация его изгибания, полированные пластины, режимы резания, препятствующие появлению наростов, использование режущих пластин повышенной жесткости, а также улучшенная геометрия режущей кромки снизят вероятность появления сколов.

4. Усталостный термомеханический износ

Усталостный термомеханический износ происходит из-за резких скачков температуры и одновременного механического воздействия. Усталостные трещины, образующиеся вдоль режущей поверхности, вызывают отслоение материала и появление сколов. Главный признак термомеханического повреждения – многочисленные трещины, располагающиеся перпендикулярно режущей кромке. Важно вовремя заметить появление усталостного износа, до того, как начнется выкрашивание поверхности. Для предотвращения термомеханического износа необходимо правильно применять охлаждение, а также выбирать инструмент с теплорассеивающей геометрией и повышенной устойчивостью к перепадам температуры.

5. Деформация режущей кромки

Деформация режущей кромки возникает вследствие избыточного нагрева в сочетании с механической нагрузкой, что часто наблюдается при изготовлении литьевых форм. Повышенное теплообразование может возникать при увеличенной скорости подачи, либо при высокоскоростной обработке твердых марок стали, закаленных поверхностей, а также жаропрочных сплавов. Повышенное тепловыделение приводит к размягчению кобальта или карбидного связующего, входящих в материал режущей пластины. Деформация кромок устраняется путем применения более износостойких твердосплавных пластин с меньшим количеством связующего в составе, за счет уменьшения скорости резания или подачи, а также использованием режущих пластин с оптимизированной геометрией, уменьшающей возникающие силы.

6. Зарубки на пластинах

Становятся заметными, когда в глубине реза появляются полоски неснятого материала. Во избежание появления зарубок следует изменять глубину врезания при фрезеровании в несколько проходов. Также помогает использование фрез с большим главным углом резания, увеличение скорости резания при обработке жаропрочных сплавов, уменьшение скорости подачи, шлифовка поверхности режущих пластин, а также меры по предотвращению возникновения наростов на режущей кромке, особенно при обработке нержавейки и жаропрочных сталей.

7. Механическое разрушение

Подобное разрушение твердосплавной пластины происходит, когда возникающая сила превышает прочность режущей кромки. Любое из семи вышеперечисленных нарушений может стать причиной разрушения. Избежать разрушения можно путем тщательного подбора режима резания с целью устранения всех вышеперечисленных причин, кроме износа задней поверхности. Использование инструмента повышенного класса прочности, оптимизированная геометрия твердосплавных пластин, использование пластин увеличенной толщины, снижение скорости подачи и/или глубины резания, контроль над надежностью закрепления инструмента, а также проверка заготовки на наличие твердых включений – все эти меры являются достаточно эффективными для улучшения надежности.

Подробнее о типах износа пластин

Классы прочности, виды геометрии, материалы и размеры фрез

Большинство производителей режущего инструмента оптимизируют геометрию и свойства инструмента под конкретные обрабатываемые материалы. В области изготовления литьевых форм это сталь P20, CPMV 10 и порошковые металлы. Очень важно выбрать правильную геометрию и класс прочности инструмента в соответствии с конкретным обрабатываемым материалом во избежание преждевременного износа или поломки инструмента. Кроме того, соответствие инструмента и обрабатываемого материала увеличивает производительность и предсказуемость процесса обработки, что позволяет уменьшить число замен инструмента, отказов и переделок.

При обработке материалов твердостью 52 единицы Роквелла или мягче, с задачей достаточно хорошо справляется обычный твердосплавный инструмент общего назначения. При большей твердости материала должен применяться специализированный инструмент, разработанный для обработки твердых материалов, например твердосплавные концевые фрезы с оптимизированной геометрией режущей части и различными покрытиями, такими, как нитрид титана и алюминия. Кроме этого покрытия, каждый производитель разрабатывает свои собственные виды покрытий для цельного твердосплавного инструмента. Фрезы со сменными твердосплавными пластинами с оптимизированной геометрией и специализированным покрытием для обработки твердых материалов хорошо справятся с большинством порошковых материалов высокой твердости. Кроме того, имеющиеся в продаже различные виды режущих пластин и фрезы с различными видами стружкоотводных пазов и канавок позволяют оптимизировать процесс обработки твердых материалов, использующихся при изготовлении литьевых форм.

После того, как вы определились с типом режущего инструмента, необходимо выбрать радиус закругления углов режущих поверхностей. Радиус скругления должен быть меньше, чем внутренние радиусы закругления элементов изготавливаемой формы. Если радиус равен радиусу закругления углов формы, может произойти так называемая «жесткая остановка» – закусывание. Инструмент с меньшим радиусом просто плавно пройдет по закруглению. Для чистовой обработки рекомендуется использование цельных твердосплавных фрез малых диаметров, либо специализированных цельных твердосплавных фрез для высокоскоростной обработки.

Тот же самый принцип выбора радиуса работает и для операций черновой обработки – использование инструмента меньшего радиуса, чем радиусы закруглений элементов формы. И, несмотря на то, что при обработке остается больше неснятого материала в углах детали, этот принцип позволяет выдерживать постоянную и равномерную нагрузку на инструмент на всех стадиях от черновой до чистовой обработки.

Не менее важна жесткость инструмента. Конусы и другие элементы фрезы играют значительную роль в придании инструменту определенной жесткости. Конструкция большинства фрез либо конусная, либо ступенчатая. При ступенчатой конструкции переход от рабочей части фрезы к хвостовику осуществляется ступенькой, при конусной конструкции – переход осуществляется плавно, диаметр режущей части фрезы постепенно увеличивается до диаметра хвостовика. Большинство удлиненных фрез имеют конусную конструкцию.

Больший угол конусности придает дополнительную жесткость инструменту, однако конструкция формы налагает ограничение на этот параметр, т. к. при несоответствии возникнет контакт между нерабочей поверхностью фрезы и стенками заготовки. Поэтому необходимо использовать инструмент с максимально допустимым углом конусности, однако не превышающим углы уклона конструкции формы. К примеру, если конструкция формы предусматривает угол уклона всех стенок в 3 градуса, лучшим выбором будет использование инструмента с конусностью 2.5 градуса.

Охлаждение и смазка

В отношении смазки и охлаждения оптимальное функционирование большинства фрез новейших конструкций осуществляется в сухом режиме. Исключение – использование постоянного охлаждения масляным туманом. При обработке материалов повышенной твердости смазка и охлаждение не используются, за исключением масляного тумана.

Держатели

Большинство производителей металлорежущего инструмента рекомендуют использование вибродемпфирующих патронов для работы с современными моделями фрез. Даже самый лучший инструмент в посредственном патроне не сможет достичь оптимальной производительности и не проходит положенный срок службы, при этом новейшие модели патронов могут даже удвоить срок службы. Демпфирование вибрации имеет исключительное значение, особенно при работе с инструментом большой длины, при высокой скорости подачи и в черновом фрезеровании. Принцип работы вибродемпфирующих патронов в целом заключается в том, что в их конструкции заложены элементы, рассогласующие гармоники вибрации, возникающей во время процесса резания.

Траектория движения и программирование

Траектория движения фрезы при изготовлении литьевых форм оптимизируется программным путем для того, чтобы избежать критических нагрузок на режущий инструмент либо предъявления к нему нереальных требований. К примеру, для выборки угла при изготовлении формы программно задается сглаженная траектория движения, исключающая резкие повороты, при которых создается большая поверхность контакта зубьев фрезы и заготовки, что приводит к возникновению критической нагрузки, которая может повредить инструмент. Обычно программируется дуга, радиусом превышающая радиус инструмента. Так, если используется 20-миллиметровая фреза, программа должна двигать инструмент по траектории с радиусом закругления не менее 20 миллиметров, но рекомендуется использовать ещё большие радиусы.

Программирование таких сглаженных дуг иногда может оказаться нетривиальной задачей, поскольку в случае ошибки может привести к гулянию режущих кромок из-за различных явлений типа подрезания, подхватывания или ударов. Современные пакеты программного обеспечения позволяют точно программировать сглаженные траектории. Кроме того, хорошим подспорьем является наличие квалифицированного программиста, понимающего принцип взаимодействия инструмента, заготовки и использования сглаженных дуг. Ключом здесь является непрерывное, безостановочное движение инструмента. В случае, если фреза вращается без подачи, например, при смене направления движения, возникающая теплота может серьезно повредить режущую кромку или покрытие, поэтому она должна постоянно отводиться от инструмента со стружкой.

Резюме

При производстве литьевых форм, за счет лучшего понимания процессов, происходящих при использовании современных приемов фрезерования, а также понимания причин поломок и их анализа, можно и нужно добиваться повышения производительности, уменьшения длительности цикла обработки, увеличения срока службы инструмента, лучшей выдержки размеров и допусков, улучшения качества обработанной поверхности, а также меньшего износа станочного парка.

Источник:
Tooling Up for Mold Machining, MoldMaking Technology.

Авторы статьи:
Гэри Майерс (Gary Meyers), менеджер по продукции Seco Tools
Дон Грэм,  (Don Graham),  управляющий программами обучения
и технической подготовки (
Seco Tools).



Понравилась статья? Поделитесь: