Контроль механических нагрузок при фрезеровании
Это вторая статья о характере, воздействии и контроле механический нагрузок на металлорежущие инструменты. Первая статья была посвящена основным понятиям и взаимосвязи геометрии инструмента, скорости подачи и механических нагрузок при токарной обработке. В данной статье мы проанализируем влияние расположения и траектории фрезы на механические нагрузки при фрезеровании. Токарная обработка создает постоянные механические нагрузки на инструмент с одной режущей кромкой, тогда как при фрезеровании многочисленные режущие кромки подвержены быстро изменяющимся переменным нагрузкам. Таким образом, для эффективного фрезерования необходимо учитывать определенные факторы.Введение
Это вторая статья о характере, воздействии и контроле механический нагрузок на металлорежущие инструменты. Первая статья была посвящена основным понятиям и взаимосвязи геометрии инструмента, скорости подачи и механических нагрузок при токарной обработке. В данной статье мы проанализируем влияние расположения и траектории фрезы на механические нагрузки при фрезеровании. Токарная обработка создает постоянные механические нагрузки на инструмент с одной режущей кромкой, тогда как при фрезеровании многочисленные режущие кромки подвержены быстро изменяющимся переменным нагрузкам. Таким образом, для эффективного фрезерования необходимо учитывать определенные факторы.
Постоянно меняющиеся нагрузки
Первый и основной шаг при планировании операций фрезерования — выбор фрезы и пластин или кромок для получения требуемого качества обработки. Поставщики инструмента предлагают торцевые, концевые, дисковые и другие фрезы в вариантах геометрии для чистовой или черновой обработки, с помощью которых можно выполнить почти любое техническое требование.
Какую бы фрезу вы ни использовали, ее режущая кромка во время обработки будет постоянно входить в материал заготовки и выходить из него. Нагрузки на зубья до входа равны нулю, во время резания они максимально возрастают, затем при выходе из заготовки снова снижаются до нуля. Наша цель — достичь умеренного уровня прерывистых нагрузок при фрезеровании, чтобы увеличить срок службы инструмента, производительность и надежность. Позиционирование фрезы, методики входа и выхода и контроль толщины стружки — ключевые факторы для этих целей.
Подход к заготовке
Нагрузки на режущий инструмент при фрезеровании во многом определяются тем, как фреза и пластины входят в заготовку. При встречном фрезеровании фреза вращается против направления подачи. При попутном фрезеровании фреза движется в направлении подачи.
В результате при встречном фрезеровании пластина входит в заготовку с минимальной толщиной стружки и выходит с максимальной. И наоборот, при попутном фрезеровании пластина входит в заготовку с максимальной толщиной стружки и выходит с минимальной. В обоих случаях толщина стружки постоянно меняется.
В большинстве ситуаций производители инструмента рекомендуют применять попутное фрезерование, так как оно минимизирует трение и истирание пластины, возникающее при входе на небольшую глубину при встречном фрезеровании. При входе в заготовку на всю глубину фрезерования при попутном фрезеровании стружка отводит тепло, защищая и заготовку, и инструмент. Стружка сходит позади фрезы, что снижает вероятность ее повторного попадания в зону резания.
Однако в некоторых случаях предпочтительно встречное фрезерование. При попутном торцевом фрезеровании усилие направлено вниз и может вызвать люфт на изношенных станках. Встречное фрезерование, при котором фреза движется вверх по заготовке, может быть более эффективно при использовании менее жестких станков, в особенности при высоких усилиях резания. Оно также может быть эффективно при обработке выпуклых поверхностей или тонких стенок, а постепенный вход в заготовку помогает избежать повреждения хрупкого инструмента повышенной твердости от удара. С другой стороны, чрезмерное трение и теплообразование, часто возникающие при встречном фрезеровании с малым съемом, могут негативно сказаться на инструменте. Неравномерные нагрузки на кромку могут привести к выкрашиванию и увеличению растягивающих напряжений. Качество поверхности может пострадать, так как стружка падает перед фрезой и может повторно попасть в зону резания.
При входе на толстой стружке при попутном фрезеровании инструмент подвергается сильным механическим нагрузкам, но большинство материалов инструментов выдерживают их. Современные инструментальные материалы, включая твердые сплавы, керамику и быстрорежущие стали, имеют порошковую основу и высокую прочность на сжатие.
Рассуждая о расположении и вариантах захода инструмента в материал, специалисты должны помнить, что предпочтительно помещать его сбоку от оси симметрии заготовки. При расположении инструмента по центру заготовки на нее одновременно действуют усилия встречного и попутного фрезерования, что может привести к вибрации и нестабильной обработке.
Варианты выхода инструмента
Выход инструмента из заготовки не менее важен, чем вход. Практика показывает явную взаимосвязь между расположением фрезы на выходе и сроком службы режущей кромки. Если выход был резким или неравномерным, режущая кромка будет выкрашиваться или ломаться. Внимательный подход к выходу инструмента может в 10 раз увеличить срок его службы. Очень важен угол выхода, определяемый как угол между направлением подачи и радиусом, проведенным из центра фрезы в точку выхода режущей кромки. Угол выхода может быть отрицательным (выше линии радиуса фрезы) или положительным (ниже линии радиуса фрезы). Вероятность поломки кромки выше, если угол составляет от -30° до 30° (см. рисунок 3). Ширина рабочей области заготовки в этих пределах составляет примерно половину диаметра фрезы.
Другой способ справиться с переменными нагрузками на режущую кромку — увеличить количество зубьев в контакте. При применении фрез небольшого диаметра с малым шагом и большей радиальной глубиной резания зубья больше контактируют с заготовкой и равномернее распределяются усилия резания.
Толщина стружки
Толщина стружки при фрезеровании существенно влияет на усилия резания, температуру, срок службы инструмента, образование и отвод стружки. Чрезмерная толщина стружки создает высокую нагрузку, способствующую выкрашиванию или поломке кромки. При недостаточной же толщине стружки задействован небольшой участок режущей кромки, и в результате высокой силы трения образуется тепло, что приводит к быстрому износу.
Толщина стружки измеряется перпендикулярно рабочей режущей кромке. Как было сказано ранее, толщина фрезерной стружки изменяется по мере прохода фрезы по заготовке. При программировании поставщики инструмента используют понятие «средняя толщина стружки», которое обозначает среднее арифметическое самой большой и самой малой толщины. Производители инструментов указывают среднюю толщину стружки для некоторых геометрий, стабильное применение которой увеличит производительность и срок службы инструмента.
Операторы используют эти данные для определения скоростей подачи, которые будут поддерживать стабильную среднюю толщину стружки. Радиальный контакт фрезы, ее диаметр, расположение и угол в плане — это факторы, определяющие правильную скорость подачи. Радиальный контакт определяется как отношение радиальной глубины резания (ae) к диаметру фрезы (Dc). Чем больше радиальный контакт фрезы, тем ниже скорость подачи, необходимая для получения желаемой толщины стружки. Соответственно, при меньшем радиальном контакте фрезы скорость подачи будет выше, чтобы обеспечить такую же толщину стружки. Угол режущей кромки также влияет на требования к подаче. Максимальная толщина стружки достигается при угле в плане 90°, поэтому при использовании малых углов требуется более высокая скорость подачи, чтобы получить такую же толщину стружки.
Острые режущие кромки обуславливают невысокие усилия резания, но являются более хрупкими, чем хонингованные или кромки с фаской. Механическую нагрузку на режущую кромку необходимо ограничить, чтобы избежать выкрашивания или поломки, поэтому для острых режущих кромок рекомендуется работать с малой толщиной стружки. В этом случае используемая геометрия режущей кромки определяет нужную среднюю толщину стружки, и наоборот.
Операторы могут использовать эти принципы и методы, чтобы контролировать переменные нагрузки на инструмент при выполнении основных фрезерных операций. Однако требования к деталям становятся все более сложными, даже если это требования к фрезерованию углов, поэтому изменение скорости подачи вручную для поддержания средней толщины стружки практически невозможно. Для многих случаев фрезерования, включая 5-координатную обработку, создатели программного обеспечения CAM и современного оборудования ЧПУ разработали такие технологии как троходиальное фрезерование и пилинг, а также программируемые траектории инструмента с постоянным контактом, например Dynamic Milling, Volumill или Adaptive Clearing. Такие методы позволяют контролировать толщину стружки, углы входа и выхода с помощью программного обеспечения и станка. Таким образом фреза находится в относительно стабильных условиях работы.
Заключение
Уже более ста лет производители используют фрезерные станки и инструменты для производства высококачественных деталей в больших объемах. За это время сам процесс фрезерования не изменился: поверхность заготовки обрабатывается вращающейся фрезой. Прерывистый характер процесса тоже остался неизменным.
Фрезерные станки и инструменты существенно улучшились со временем, но во многих случаях их преимущества не реализуются полностью. Понимание особенностей процесса фрезерования, взаимодействия заготовки и инструмента во время фрезерования и стремление сделать переменные нагрузки более умеренными позволяет производителям достичь тройного преимущества: производительность, качество и срок службы инструмента.
