Это третья статья о применении металлорежущего инструмента с учетом нагрузок, возникающих в процессе обработки. Первая статья посвящена основам обработки металла и взаимосвязи между геометрией инструмента, скоростями подачи и механическими нагрузками при токарной обработке. Вторая статья рассматривает влияние положения и траектории инструмента на механическую нагрузку при фрезеровании. В данной статье речь тоже пойдет о фрезеровании. Она объясняет, как выбор инструмента и параметров резания влияет на образование, поглощение и контроль тепла при прерывистой обработке.

Адаптация к температурным условиям

При обработке металла в зоне, где режущая кромка деформирует заготовку и срезает материал, возникают температуры 800–900 °C. Во время длительных токарных операций нагревание отличается стабильностью и линейностью. При фрезеровании зубья входят в заготовку и выходят из нее, и температура режущей кромки возрастает и понижается. Элементы обрабатывающей системы поглощают тепло, образующееся при резании. Как правило, 10% тепла поглощает заготовка, 80% — стружка, 10% — инструмент. Оптимально, если стружка отводит большую часть тепла, так как высокие температуры сокращают срок службы инструмента и могут повредить обрабатываемую деталь.

RU_HQ_ILL_Thermal_Factors.jpg_ico400

Разная теплопроводность материалов, как и другие факторы, оказывает существенное влияние на распределение тепла. Например, теплопроводность суперсплавов невелика. При обработке заготовок с низкой теплопроводностью большее количество тепла приходится на инструмент. Кроме того, при обработке более твердых материалов производится большее количество тепла. В целом при обработке с высокими скоростями резания тепловыделение выше, а при обработке с высокой подачей увеличивается площадь режущей кромки, подверженная воздействию высоких температур.

RU_HQ_ILL_Feed_Rate_And_Temperature_Gradient.jpg_ico400

Дуга контакта

В связи с переменным характером процесса фрезерования зубья участвуют в теплообразовании только часть общего времени обработки. Время, когда зубья фрезы взаимодействуют с заготовкой, зависит от дуги контакта, которая определяется радиальной глубиной резания и диаметром фрезы.

Различные фрезерные процессы характеризуются разными дугами контакта. К примеру, при обработке пазов фреза наполовину погружается в материал, и дуга контакта составляет 100% диаметра инструмента. Половину времени обработки режущие кромки проводят в зоне резания, и теплообразование происходит быстро. При боковом фрезеровании относительно небольшая часть фрезы единовременно взаимодействует с заготовкой, и режущие кромки лучше отводят тепло в воздух.

RU_HQ_ILL_Different_Arcs_Of_Engagement.jpg_ico400

Избыточное воздействие тепла на инструмент сокращает его срок службы, ускоряя износ или деформацию. Кроме того, в целях экономии топлива многие материалы режущего инструмента следует применять при температурах выше минимального критического уровня.

RU_HQ_ILL_Small_Arc_Of_Engagement_Method.jpg_ico400

В частности, твердосплавный режущий инструмент изготавливается из порошковых металлов — твердых, но хрупких. Температуры выше определенного минимального уровня увеличивают прочность материалов, содержащих порошковый металл, и снижают их склонность к разрушению. Наоборот, при слишком низких температурах резания хрупкий инструмент ломается, выкрашивается или провоцирует нарост кромки. Необходимо точно соблюдать диапазон температур резания.

Толщина стружки и температурные воздействия

В первой статье мы исследовали воздействие радиальной глубины резания, угла режущей кромки, скорости подачи и толщины стружки на механические нагрузки при фрезеровании. Температурную нагрузку при фрезеровании определяют те же факторы и скорость резания.

Толщина стружки влияет на температурные условия и срок службы инструмента. Толстая стружка говорит о высоких нагрузках, при которых образуется избыточное количество тепла и выкрашивается или ломается режущая кромка. При слишком тонкой стружке режущая площадь кромки меньше, трение и теплообразование выше, что приводит к быстрому износу.

Толщина фрезерной стружки меняется, когда режущая кромка входит в заготовку и выходит из нее. Поставщики инструмента используют понятие «средняя толщина стружки», чтобы рассчитать скорости подачи фрезы, при которых толщина стружки будет наиболее эффективной.

Для определения нужной скорости подачи необходимы такие факторы, как дуга контакта фрезы или радиальная глубина резания и угол режущей кромки. Чем больше дуга контакта, тем ниже скорость подачи, необходимая для получения желаемой толщины стружки.

Аналогично, при меньшей дуге контакта фрезы скорость подачи должна быть выше, чтобы обеспечить такую же толщину стружки. Угол режущей кромки фрезы также влияет на требования к подаче. Максимальная толщина стружки достигается при угле режущей кромки 90°, следовательно, чтобы получить такую же среднюю толщину стружки при меньших углах режущей кромки, необходимы более высокие скорости подачи.

Чтобы обеспечить такую же толщину стружки и температуру в зоне резания, как при фрезеровании с полным контактом, поставщики инструмента рассчитали компенсирующие коэффициенты: увеличение скоростей резания по мере уменьшения контакта фрезы.

Например, если коэффициент скорости для фрезы с полным контактом (100% диаметра) составляет 1,0, то компенсирующий коэффициент скорости для угла режущей кромки 90°, при режущей части фрезы, равной 20% диаметра, составляет 1,35. Следовательно, если скорость резания фрезы с полным контактом составляет 100 м/мин, скорость резания, необходимая для обеспечения оптимальной толщины стружки, когда режущая часть фрезы равна пятой части диаметра, составляет 135 м/мин.

RU_HQ_ILL_Compensation_In_Milling.jpg_ico400

С точки зрения температурной нагрузки, при небольшой дуге контакта времени резания может быть недостаточно, чтобы обеспечить минимальную температуру, необходимую для оптимального срока службы. Поскольку увеличение скорости резания, как правило, приводит к большему теплообразованию, применение небольшой дуги контакта при повышенной скорости резания может поднять температуру резания до требуемого уровня. Повышенная скорость резания также сокращает время контакта режущей кромки со стружкой, что сокращает количество тепла, передаваемого на инструмент. Кроме того, применение повышенных скоростей также сокращает время обработки и повышает производительность. С другой стороны, пониженные скорости резания снижают температуру. Если теплообразование слишком высокое, уменьшение скорости резания может понизить температуру до допустимого уровня.

Микрогеометрия режущей кромки

Геометрии фрезы и зубьев помогают контролировать температурные нагрузки. Геометрия фрезы определяет позиционирование инструмента относительно заготовки. Фрезы с позитивным передним углом режущей кромки (зубья плавнее входят в материал заготовки) обеспечивают пониженные усилия резания и производят меньше тепла, позволяя использовать повышенные усилия резания. Однако инструмент с позитивным углом слабее, чем с негативным, кроме того, использование негативного переднего угла может быть обусловлено твердостью материала и качеством поверхности. Инструмент с негативным углом требует повышенных усилий резания и способствует высокому тепловыделению.

Геометрия режущей кромки определяет и контролирует процесс резания и усилия резания и влияет на тепловыделение. Кромка инструмента может сточиться, скруглиться или заостриться в месте контакта с заготовкой. Сточенные или скругленные кромки прочнее, но также требуют повышенных усилий резания при высоком теплообразовании. Заостренная кромка обладает меньшей прочностью, но снижает усилия резания и теплообразование.

Фаска за режущей кромкой направляет стружку и может быть позитивной и негативной, при этом необходимо искать аналогичный компромисс между пониженными рабочими температурами при использовании позитивной конструкции и более высокой прочностью и повышенных температурах при использовании негативной конструкции.

Из-за прерывистого резания стружкообразование при фрезеровании не так важно, как при точении. Тем не менее, в зависимости от материала заготовки и дуги контакта, для формирования и отвода стружки может потребоваться значительное количество энергии. Узкие или твердые геометрии стружколомов моментально закручивают стружку и обуславливают повышенные усилия резания и теплообразование. При использовании более широкой геометрии стружколомов возникают пониженные усилия и температуры резания, но такие геометрии не допускается применять при определенном сочетании материалов и параметров резания.

Охлаждение

Еще один способ контролировать теплообразование при обработке металла — применение СОЖ. При возникновении избыточных температур режущая кромка быстро изнашивается или деформируется, поэтому контроль теплообразования должен быть максимально оперативным.

Для эффективного снижения температур необходимо охлаждать источник тепла. Однако осуществлять подачу СОЖ в зону резания с высокой температурой, где давление между стружкой и режущей кромкой составляет около 20 000 бар, очень сложно, почти невозможно. Кроме того, в таких условиях СОЖ моментально испаряется. В такой ситуации подача СОЖ может не решить проблему теплоотвода полностью, но в какой-то степени поможет.

Насколько именно эффективен метод подачи СОЖ, вопрос спорный. Как правило, если ожидается избыточное теплообразование, подача СОЖ допускается. К примеру, при фрезеровании пазов использование СОЖ вреда не принесет, однако степень пользы достаточно условна. При боковом фрезеровании температуры резания невысоки, и необходимости в подаче СОЖ нет.

Заключение

В результате совокупного воздействия многих факторов во время операций обработки возникают продолжительные нагрузки. В этой статье мы рассмотрели температурные воздействия на операции фрезерования и их связь с механическими факторами. Знание составляющих механических нагрузок и результатов их взаимодействия поможет производителям оптимизировать процессы обработки и добиться максимальной производительности и рентабельности.

Дополнение:
Преимущества компенсации

Расчетные компенсирующие коэффициенты для фрезерования позволяют изменять параметры резания в зависимости от дуги контакта и контролировать теплообразование. Чрезмерно низкие температуры не позволяют полностью использовать прочностные свойства материала инструмента и приводят к образованию нароста на кромке. Чрезмерно высокие температуры становятся причиной быстрого износа или деформации инструмента. Компенсация методом регулировки параметров позволяет сбалансировать температурные и механические нагрузки, чтобы оптимизировать срок службы инструмента и производительность.

Компенсирующие коэффициенты также упрощают применение современных технологий фрезерования. Например, при высокоскоростной обработке с малыми радиальными и осевыми глубинами резания, как правило, рекомендуются высокие скорости резания, сопровождаемые высоким тепловыделением. Без их применения дуга контакта при высокоскоростной обработке не сможет обеспечить достаточно высокую температуру, необходимую для оптимальной производительности инструмента. Совместное воздействие параметров резания для высокоскоростной обработки существенно увеличивает скорости съема металла.

Режущий инструмент для операций высокоскоростной обработки должен обладать острой режущей кромкой, состоять из твердого материала и демонстрировать хорошую износостойкость. Очень важно обеспечить эффективное стружкоудаление, в особенности при обработке более мягких материалов, таких как алюминий. В этих случаях рекомендуется использовать инструменты с большими стружколомами или открытыми канавками. Важно, чтобы станки, на которых выполняется высокоскоростная обработка, могли работать на достаточно высоких скоростях, чтобы было возможно применение компенсации.

Регулировка параметров, позволяющая сбалансировать температурную и механическую нагрузку, также будет эффективна для фрезерования закаленных материалов. Поскольку этот процесс сопровождается интенсивным теплообразованием, может быть рекомендовано уменьшение глубины резания.

Станки для фрезерования закаленных материалов должны обладать достаточной жесткостью и способностью гасить вибрации, чтобы обеспечивать точную обработку при высоких нагрузках. Системы жестких державок обеспечивают прочность и поглощение вибраций, при этом по возможности необходимо избегать больших вылетов. Использование коротких многокромочных режущих инструментов также положительно влияет на стабильность обработки. Геометрия с негативным углом и радиальная заточка упрочняют режущую кромку.

Для фрезерования с большой подачей характерна большая подача на зуб, которую уравновешивает малая глубина и умеренные скорости резания. Этот метод обеспечивает высокие скорости съема металла, при этом скорости резания и потребляемая мощность будут ниже, чем при применении других методов. Изгибающие нагрузки на инструмент становятся ниже, что сокращает опасные вибрации и позволяет использовать более длинные и менее жесткие инструменты. Эту методику лучше применять на станке с высокой жесткостью и достаточной скоростью и мощностью. Необходимо выбирать заходные углы инструмента так, чтобы они направляли усилия резания в шпиндель станка.

При высокоэффективной обработке увеличиваются осевые и радиальные глубины резания, затем подбираются скорости резания и подачи, снижающие износ. Этот метод позволяет максимально экономично достичь высоких скоростей съема металла. Для высокоэффективной обработки требуется специальная геометрия стружколома, упрочненные режущие кромки и канавки для эффективного отвода стружки. Этот вид обработки подходит для съема большого количества металла и обработки труднообрабатываемых материалов.

Простая регулировка скорости резания или других параметров поможет контролировать толщину стружки и температурные нагрузки при выполнении простых операций фрезерования. Однако гораздо сложнее регулировать параметры для адаптации к изменяющимся условиям резания при фрезеровании сложных контуров. Современные программы CAM в сочетании с эффективными технологиями ЧПУ, способными обрабатывать объемные блоки команд, позволяют применять передовые стратегии фрезерования, включая трохоидальные траектории и зачистку углов.

Источник: пресс-релиз от
ООО «Секо Тулс», г. Москва

Автор:
Патрик де Вос (Patrick de Vos),
управляющий по корпоративному
техническому обучению
компании Seco Tools

О компании

Компания Seco Tools, штаб-квартира которой находится в г. Фагерста, Швеция, заслужила мировую репутацию за развитие инновационных решений по металлообработке и за тесное сотрудничество с заказчиками, позволяющее лучше понять и удовлетворить их потребности. В штате компании работает более 5000 человек в 50 странах мира. Мы расширяем возможности наших сотрудников путем обучения, развития, программ по признанию достижений сотрудников, а также путем создания открытой среды общения. Наши сотрудники привержены трем основным ценностям — энтузиазм в помощи клиенту, семейный дух и личная вовлеченность. Эти ценности определяют наш подход к бизнесу и то, как мы взаимодействуем друг с другом, с нашими клиентами, поставщиками и другими партнерами. Узнать больше о нашей компании можно на сайте www.secotools.com.



Понравилась статья? Поделитесь: