Методы чернового фрезерования при оптимизированной траектории перемещения фрезы

В статье описаны методы чернового фрезерования при оптимизированной траектории перемещения фрезы

Оптимизация траектории перемещения фрезы при помощи CAM систем долгое время была общепринятой процедурой, в особенности в производстве пресс-форм. Однако лишь недавно предприятия начали совмещать эту функцию с применением относительно новых методов обработки и специальных твердосплавных вращающихся режущих инструментов для оптимизации операций черновой обработки.

Такие методы черновой обработки (или динамического фрезерования) при помощи CAM учитывают дугу контакта режущего инструмента и среднюю подачу на зуб. Метод регулировки дуги контакта инструмента с использованием траектории его движения, рассчитанной CAM, позволяет производителям увеличить скорость черновой обработки, эффективно контролировать тепловыделение, повышать подачу на зуб и увеличивать глубину резания, тем самым сокращая общее время обработки детали, без применения дополнительной нагрузки на шпиндель станка.

Зависимость скорости резания от дуги контакта и термической нагрузки

Дуга контакта режущего инструмента — это независимая переменная, которая влияет на термическую нагрузку и является основой оптимизации операций черновой обработки.

Максимальная дуга контакта любого режущего инструмента – 180 °, то есть его диаметр. Соответственно, при полной дуге контакта радиальная глубина резания (или ширина резания) равна диаметру фрезы и может быть выражена так: ae (радиальная глубина резания) = Dc (диаметр фрезы).

Методом регулировки дуги контакта производители могут снизить количество тепла, выделяемого во время операций черновой обработки. Глубина резания увеличивается, соответственно, дуга контакта тоже будет больше. При меньшем контакте уменьшается трение, а следовательно и тепловыделение между режущей кромкой инструмента и обрабатываемой заготовкой. Это объясняется тем, что режущая кромка инструмента получает больше времени для охлаждения, в течение которого она успевает покинуть рез, сделать оборот и вернуться в рез. Более низкие рабочие температуры позволяют увеличить скорости резания и сократить время цикла.

Средняя толщина стружки и нагрузка

Средняя толщина стружки режущего инструмента (hm) зависит от физической нагрузки и обеспечивается сочетанием регулировки таких параметров, как подача на зуб и дуга контакта. Толщина стружки постоянно меняется во время резания, поэтому в промышленности используется термин «средняя толщина стружки» (hm).

Полная дуга контакта (180 °) обеспечивает наибольшую толщину стружки в центре ширины фрезы. Соответственно, меньшая дуга контакта (при угле контакта je менее 90 °) уменьшает толщину стружки, но дает возможность увеличить подачу на зуб (fz).

К примеру, рассмотрим черновую обработку боковой поверхности 10-миллиметровой фрезой при ae 10 мм (полная дуга контакта). При таком ae фреза обеспечивает максимальную среднюю толщину стружки/максимальную нагрузку. При прохождении первого угла 90 ° фреза движется против подачи до достижения максимальной толщины стружки (fz), после чего при прохождении второго угла 90 ° фреза движется по подаче, при этом толщина стружки снова уменьшается до 0. Однако при уменьшении ae (ae < Dc) до 1 мм (10%) средняя толщина стружки также уменьшится, что позволит повысить скорость черновой обработки за счет увеличения подачи на зуб (fz). При этом фреза снимает меньшее количество материала, но с большей скоростью и с меньшим напряжением инструмента и шпинделя станка, в отличие от процесса с большей глубиной резания и меньшей подачей. При черновой обработке пазов более низкое значение ae также позволяет увеличить ap (глубину резания) и скорость снятия материала.

Конструкции фрез для оптимизации черновой обработки

Большинство поставщиков режущего инструмента предлагают продукцию для особых материалов, тогда как другие, в том числе Seco Tools, дополнительно разрабатывают геометрии инструмента для усовершенствованных методов обработки. В случае методов черновой обработки с использованием CAM наиболее важным параметром инструмента является стружкообразование, а также необходимые требования к зубьям и длине.

К примеру, компания Seco разработала фрезы для высокоэффективной обработки Jabro®-HPM специально для обеспечения полной дуги контакта при черновой обработке и увеличенной глубины резания для снятия материала в больших объемах. Эти фрезы обладают специальной геометрией для обеспечения высокой производительности при обработке особых материалов.

Чтобы расширить диапазон обрабатываемых материалов, специалисты компании Seco недавно модифицировали геометрии фрез линейки Jabro®-Solid² 550 специально для оптимизированных методов черновой обработки. Конструкция фрез отличается двойной сердцевиной, которая обеспечивает дополнительную стабильность и уменьшает прогиб инструмента.

В серию JS550 входят инструменты большей длины, которые, согласно разработкам компании, наиболее функциональны при черновой обработке глубоких карманов и объемной черновой обработке/динамическом фрезеровании. Длина инструмента, как правило, составляет от трех до четырех диаметров.

При достижении стабильной дуги контакта эти инструменты демонстрируют стабильный и равномерный износ зубьев и более предсказуемый срок службы. Однако обработка длинными фрезами подразумевает образование более длинной стружки, которую трудно удалять из зоны резания и со станка.

Чтобы обеспечить образование стружки меньшего размера, которую легче удалять, компания Seco модифицировала конструкцию фрезы JS554 L (длинная модель), добавив стружколомы — небольшие канавки на режущих кромках и в зоне сужения инструмента. Конструкция модифицированной фрезы, теперь обозначаемой JS554 3C (где C — стружколом), предусматривает наличие стружколомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 1 X D (диаметр фрезы). Таким образом, фреза длиной 40 мм и диаметром 10 мм позволяет получать стружку длиной не более 10 мм, которую можно легко убрать из зоны резания и избежать заклинивания стружки в транспортере станка.

Фрезы стандартной длины также подходят для оптимизированных методов черновой обработки. При помощи одной из стандартных фрез JS554 (длина резания 2 x Dc + 2 мм) специалисты Seco выполнили черновую обработку кармана обычной стали SMG-3 и получили такой же впечатляющий результат, как при обработке длинной фрезой. Специалисты Seco выполняли обработку короткой фрезой при обычной 10-% ae: коэффициентом Dc, который используется для длинных фрез, при этом подача на зуб была модифицирована для достижения такой же скорости съема металла.

Чем больше зубьев имеет фреза при небольшой дуге контакта, тем выше скорость ее подачи и производительность. Скорость подачи = количество зубьев фрезы x подача на зуб x частота вращения шпинделя. Обычные фрезы для черновой обработки, как правило, имеют четыре зуба — в настоящее время компания Seco изучает возможность создания пятизубой фрезы. Методы фрезерования

Детали сложной формы

При прямолинейных траекториях фрезерования (в боковом фрезеровании) дуга контакта после установки остается неизменной. Однако при обработке деталей более сложной формы, например, таких, которые имеют наружные и внутренние радиусы, возникают несоответствия, связанные с установленной дугой контакта.

Когда фреза завершает прямолинейную траекторию и переходит на внутренний радиус/угол, ее дуга контакта увеличивается, а значит, параметры резания больше не соответствуют фактической дуге контакта. Если траектории перемещения фрезы не могут измениться в соответствии с ситуацией, это приводит к колебаниям, вибрации и даже поломке фрезы.

Современные пакеты CAM предлагают методы регулировки траектории специально для обработки форм с внешними/внутренними радиусами, при которых происходит изменение дуг контакта по стандартным траекториям. Эти пакеты ПО автоматически задают разные значения подачи для регулировки дуги контакта и обеспечения равномерной толщины стружки. Чтобы сохранить равномерную дугу контакта, эти пакеты CAM используют параметры трохоидального фрезерования и зачистки фрезерованием при переходе на обработку радиуса. Помимо выбора траекторий эти пакеты CAM существенно уменьшают посторонние перемещения, чтобы еще больше сократить время цикла.

При использовании оптимизированной траектории перемещения фрезы при черновой обработке и обеспечении равномерной дуги контакта радиус фрезы может совпадать с внутренним радиусом, при этом во время обработки не возникнет риск лишней нагрузки на фрезу, образования зареза или захватывания материала. Это позволяет производителям снимать больше материала за черновой проход, соответственно снижая количество материала, которое необходимо снять за чистовой проход, что в совокупности приводит к сокращению времени цикла обработки.

Оптимизированные методы черновой обработки также применимы к особым материалам. Компания Seco проводила масштабные испытания на таких материалах, как сталь, нержавеющая сталь, чугун, титан, алюминий и стали твердостью до 48 HRc. Специалисты компании рекомендуют производителям сначала применить 10-процентную ae к соотношению диаметров – 5% для таких труднообрабатываемых материалов, как титан и суперсплавы. Специалисты Seco установили для таких особых дуг контакта оптимизированные данные скорости и подачи и пр. Производители могут применять ae выше рекомендованной, однако в таком случае необходимо уменьшить скорость резания и подачу на зуб.

Что касается ap, компания Seco предлагает фрезы Jabro®-HPM, разработанные с учетом ap до 2 x D для обработки пазов полного профиля в стали (JHP951 и JHP993). При всей сложности этого вида обработки фреза Seco JS554 3C для общего применения с легкостью может обрабатывать 4 x D при применении оптимизированных методов черновой обработки.

Кроме того, производители, чьи станки не подходят для выполнения тяжелой черновой обработки, могут просто уменьшить дугу контакта и использовать траекторию трохоидального фрезерования. Это позволяет сократить усилия резания и снизить необходимость в высокой мощности станка, в то же время обеспечивая высокую производительность за счет увеличения глубины резания.

При применении методов черновой обработки для таких труднообрабатываемых материалов, как нержавеющая сталь и титан, необходимо использовать СОЖ по всей длине фрезы — верхней, средней и нижней части. Важно выполнять охлаждение всего режущего инструмента. При фрезеровании стали и чугуна производителям следует использовать сжатый воздух при максимальном давлении для сдувания стружки.

Необходимо учитывать, что производители не смогут применять методы черновой обработки при помощи CAM при программировании станка, так как программы должны быть созданы извне при помощи специальных пакетов оптимизации траектории перемещения фрезы. Тем не менее, при программировании станка производители могут вручную вводить данные дуги контакта, установленные Seco, но только для простых операций черновой обработки с прямолинейной траекторией или фиксированных циклов черновой обработки с трохоидальной траекторией.

Стандартная фреза Jabro 554Испытания в условиях эксплуатации

Поскольку оптимизированные методы черновой обработки идеальны для длинных фрез, компания Seco провела испытания дуги контакта для инструментов стандартной длины. В ходе одного испытания специалисты Seco использовали стандартную фрезу Jabro 554 при скорости резания 300 м/мин, глубине резания 20 мм, ae 1 мм и подаче на зуб 0,2 мм при времени цикла обработки 4 минуты 26 секунд. После этого специалисты изменили ae до 2 мм и уменьшили подачу на зуб до 0,1 мм. И хотя скорость снятия материала осталась неизменной, время цикла обработки сократилось до 3 минут 11 секунд. Время цикла сократилось, так как более высокая ae не увеличила скорость обработки, однако сократила необходимое количество проходов. Следовательно, черновая обработка детали заняла меньшее время.

Испытания фрез в условиях эксплуатацииДля одного из своих клиентов в области аэрокосмической промышленности компания Seco продемонстрировала преимущества методов черновой обработки, на примере станка клиента со шпинделем BT40 и одного из производимых им компонентов. Клиент обычно выполняет черновую обработку таких деталей, используя обычную траекторию и стандартные параметры станка, при этом на обработку одной заготовки уходит один час.

Специалисты Seco использовали фрезу максимально возможного диаметра — длинную фрезу JS554 3C диаметром 25 со стружколомами. В сочетании с оптимизированными методами черновой обработки и траекториями перемещения фрезы удалось сократить прежнее время цикла черновой обработки всего до 8 минут. Кроме того, специалисты Seco установили, что существует возможность еще больше сократить время черновой обработки (возможно, до 6 минут) при условии использования более мощного станка.

Еще один клиент Seco имел возможность убедиться в преимуществах оптимизированных методов черновой обработки и траектории на примере компонентов автомобилей. Производителю удалось не только сократить общее время цикла от 8,5 минут до 1,1 минут, но и увеличить срок службы инструмента от 80 деталей до 250 деталей для одной фрезы.Фреза JS554 3C диаметром 25 мм

Клиенту Seco, выполняющему обработку форм для компонентов мотоциклов, благодаря оптимизации черновой обработки и траектории перемещения фрезы, удалось сократить время обработки с 900 минут до 400 минут. Клиент использовал фрезу со сменными пластинами и высокой подачей для первичной и вторичной операций черновой обработки, затем стал использовать фрезу JS554 3C диаметром 25 мм для первичной операции и сохранили высокую подачу для вторичной.

Заключение

Дуга контакта и средняя толщина стружки являются ключевыми факторами оптимизированных операций черновой обработки. При помощи специальных пакетов ПО CAM для оптимизации траектории перемещения фрезы и методов динамического фрезерования производители на сегодняшний день могут регулировать дугу контакта режущего инструмента и поддерживать равномерную толщину стружки. За счет этого они эффективно регулируют рабочую температуру, применяют повышенные скорости резания и увеличенную глубину резания, чтобы существенно сократить общее время цикла обработки.

Однако производителям следует учитывать, что для оптимизации черновой обработки необходимы специальные пакеты CAM для внешнего программирования. Большинство поставщиков режущего инструмента предлагает продукцию для особых материалов, и лишь некоторые разрабатывают геометрии инструмента для особо сложных циклов обработки и соответствующие траектории перемещения фрез. При использовании подходящей фрезы и динамических циклов производители могут повысить скорости съема металла на 500% по сравнению с традиционными методами обработки.

Автор пресс-релиза:
Тен ван Астен,
специалист по маркетингу Seco Tools.
ООО «Секо Тулс», г.  Москва

Скачать каталоги инструмента Seco и получить информацию о данном производителе вы можете по этой ссылке: Seco Tools, каталоги инструмента Секо



Понравилась статья? Поделитесь: