Syrex. Maszyny i narzędzia do obróbki metalu. Czesław Syrek

Artykuł Dodaj artykuł

Strategie obróbki zgrubnej dążą do optymalizacji ścieżki narzędzia

Optymalizacja ścieżki narzędzia przy użyciu systemów CAM jest zjawiskiem powszechnym już od pewnego czasu, zwłaszcza w branżach matryc i form.

Optymalizacja ścieżki narzędzia przy użyciu systemów CAM jest zjawiskiem powszechnym już od pewnego czasu, zwłaszcza w branżach matryc i form. Jednakże dopiero od niedawna warsztaty łączą tę zdolność ze stosunkowo nowymi strategiami obróbki i specjalnymi obrotowymi narzędziami skrawającymi z węglików w celu optymalizacji obróbki zgrubnej.
 
Te oparte na systemach CAM strategie obróbki zgrubnej i dynamicznej koncentrują się na wielkości kąta opasania narzędzia skrawającego i średnim obciążeniu wiórami. Manipulacja kątem opasania narzędzia przy użyciu wygenerowanej przez system CAM ścieżki narzędzia umożliwia zwiększenie prędkości obróbki zgrubnej, efektywną kontrolę temperatur procesów, stosowanie wyższych posuwów na ząb oraz zwiększenie głębokości skrawania, co umożliwia znaczne skrócenie łącznych czasów cyklów obróbki, bez zwiększania nacisku na wrzeciona obrabiarki.
 
Kąt opasania i obciążenie termiczne w odniesieniu do prędkości skrawania
 
Kąt opasania narzędzia skrawającego to zmienna niezależna, która wpływa na obciążenie termiczne narzędzia i stanowi klucz do optymalizacji operacji obróbki zgrubnej.
 
Maksymalny kąt opasania dowolnego narzędzia wynosi 180 stopni, więc praktycznie jest równy średnicy narzędzia. W związku z tym przy pełnym kącie opasania promieniowa głębokość skrawania (lub szerokość skrawania) jest równa średnicy frezu i reprezentowana przez wartość ae (promieniowa głębokość skrawania) = Dc (średnica frezu).
 
Manipulacja kątem opasania umożliwia warsztatom zmniejszenie ilości ciepła generowanego podczas obróbki zgrubnej. W miarę zmniejszania się promieniowej głębokości skrawania zmniejsza się także kąt opasania frezu. Mniejsza powierzchnia styku oznacza mniejsze tarcie, a co za tym idzie, niższą temperaturę między krawędziami skrawającymi narzędzia a obrabianym elementem. Dzięki temu krawędzie skrawające mają więcej czasu na ochłodzenie się pomiędzy opuszczeniem miejsca skrawania, obrotem i ponownym kontaktem z miejscem skrawania. Te niższe temperatury obróbki umożliwiają z kolei osiągnięcie wyższej prędkości skrawania i krótszych czasów cykli.
 
Średni przekrój wióra a obciążenie fizyczne
 
Średni przekrój wióra narzędzia skrawającego (hm) opiera się na obciążeniu fizycznym i jest zachowywana przez kombinację posuwu na ząb i zmian kąta opasania. Grubość wióra nieustannie zmienia się podczas skrawania, w związku z czym w branży stosowane jest określenie „średnia grubość wióra” (hm).
 
Pełny, 180-stopniowy kąt opasania generuje najgrubsze wióry w środku frezu. Mniejszy kąt opasania – poniżej 90 stopni (je, szerokość kąta) – zmniejsza grubość wióra, pozwalając w zamian na zwiększenie posuwu na ząb (fz).
 
Rozważmy na przykład obróbkę zgrubną boczną przy użyciu frezu o średnicy 10 mm przy 10-mm ae (pełny kąt opasania). Przy takim ae, frez generuje największą średnią grubość wióra/najwyższe obciążenie fizyczne. Przez pierwsze 90 stopni grubość wióra rośnie do osiągnięcia maksymalnej grubości wióra (fz). Przez pozostałe 90 stopni maleje, przez co grubość wióra spada ponownie do zera. Jednakże w przypadku spadku ae (ae < Dc) do 1 mm (10 procent), zmniejsza się średnia grubość wióra. Umożliwia to szybszą obróbkę zgrubną przez zastosowanie większego posuwu na ząb (fz). W takiej sytuacji frez usuwa mniejszą ilość materiału, ale czyni to w znacznie wyższym tempie i przy mniejszym obciążeniu narzędzia i wrzeciona obrabiarki w porównaniu z większym naddatkiem promieniowym i niższym posuwem. W zastosowaniach obróbki zgrubnej rowków niższe ae pozwala także na większą ap (głębokość skrawania) co dodatkowo przyspiesza usuwanie materiału. 
 
Konstrukcje frezów do zoptymalizowanej obróbki zgrubnej
 
Podczas gdy większość producentów narzędzi skrawających oferuje produkty do określonych materiałów, inni, w tym firma Seco Tools, tworzy także geometrie narzędzi dla zaawansowanych metod obróbki skrawaniem. W przypadku strategii obróbki zgrubnej opartych na systemach CAM, narzędzia te rozwiązują kluczowe problemy kontroli wióra, a także spełniają wymagania dotyczące rowków wiórowych i długości.
 
Firma Seco stworzyła na przykład frezy Jabro®-HPM (do obróbki z dużą wydajnością) specjalnie z myślą o obróbce zgrubnej z pełnym kątem opasania oraz dużej głębokości skrawania, czyli zastosowaniach związanych z dużym tempem usuwania materiału. Frezy te charakteryzują się specjalnymi geometriami, które oferują dużą wydajność w przypadku konkretnych materiałów.
 
Aby objąć szerszą gamę obrabianych materiałów, firma Seco zmodyfikowała niedawno geometrie serii frezów Jabro®-Solid² 550 specjalnie pod kątem zoptymalizowanych strategii obróbki zgrubnej. Frezy charakteryzują się konstrukcją o podwójnym rdzeniu, która zapewnia wyższą stabilność i zredukowane odchylenie narzędzia.
 
Seria JS550 obejmuje także narzędzia o zwiększonej długości, które zdaniem firmy sprawdzają się najlepiej w obróbce zgrubnej i dynamicznej głębokich gniazd i kształtów 3D. Długość narzędzia jest zazwyczaj równa trzem, czterem jego średnicom.
 
Przy zachowaniu stałego kąta opasania narzędzia te charakteryzują się stałym, równomiernie rozłożonym zużyciem wzdłuż ostrzy, co zapewnia znacznie bardziej przewidywalną trwałość narzędzia. Jednakże długie frezy wytwarzają równie długie wióry, których odprowadzanie ze strefy skrawania i obrabiarki może być problematyczne.
 
Aby zapewnić mniejsze i łatwiejsze w usuwaniu wióry, firma Seco zmodyfikowała frez JS554 L (wersja długa), dodając do niego rozdzielacze wiórów – niewielkie rowki na krawędziach skrawających i ostrzach narzędzia. Zmodyfikowany frez, noszący nazwę JS554 3C (litera C wskazuje obecność rozdzielaczy wiórów), wyposażono w rozdzielacze wiórów rozmieszczone w odległości równej 1 X D (średnica frezu). Tak więc frez o długości 40 mm i średnicy 10 mm wytwarza wióry o długości nieprzekraczającej 10 mm, które są szybko odprowadzane ze strefy skrawania, eliminując ryzyko zakleszczenia.
 
Krótsze frezy o standardowej długości także doskonale sprawdzają się w zoptymalizowanych strategiach obróbki zgrubnej. Firma Seco, korzystając z jednego ze standardowych frezów JS554 (długość skrawania 2 x Dc + 2 mm), poddała obróbce zgrubnej gniazdo z popularnej stali SMG-3 i osiągnęła równie imponujące wyniki, co w przypadku frezów o większej długości. Firma Seco użyła krótszego frezu przy typowym współczynniku ae: Dc równym 10 procent, stosowanym także w przypadku dłuższych frezów, ale po prostu zmodyfikowała posuw na ząb, aby uzyskać to samo tempo usuwania metalu.
 
W przypadku zastosowania małego kąta opasania, im więcej ostrzy frezu, tym większy posuw i wyższa produktywność. Prędkość posuwu = liczba ostrzy frezu x posuw na ząb x prędkość wrzeciona. Frezy do obróbki zgrubnej są zazwyczaj wyposażone w maksymalnie cztery ostrza, ale firma Seco bada obecnie potencjał frezów o pięciu ostrzach.
 
Złożone kształty części
 
Przy prostych ścieżkach obróbki (frezowanie boczne), kąt opasania pozostaje niezmienny po ustawieniu. Jednakże w przypadku bardziej złożonych kształtów części, na przykład obejmujących promienie wewnętrzne i zewnętrzne, powstają nieścisłości dotyczące ustawionego kąta opasania. 
 
Po zakończeniu przez frez skrawania prostego i przejściu do wewnętrznego promienia/naroża, kąt opasania zwiększa się, co oznacza, że parametry skrawania nie są zgodne z bieżącym kątem. Jeśli ścieżki narzędzi nie dostosowują się do takich sytuacji, powoduje to drgania, wibracje, a nawet pękanie frezu.
 
Dostępne obecnie na rynku pakiety CAM oferują strategie ścieżki narzędzi przystosowane specjalnie do kształtów promieni wewnętrznych/zewnętrznych, w których zmieniające się kąty opasania występują wzdłuż konwencjonalnych ścieżek narzędzi. Te pakiety oprogramowania automatycznie stosują różne posuwy do kontroli kąta i utrzymania stałego obciążenia narzędzia. W celu zachowania kąta opasania w pakietach CAM stosowane są techniki obróbki promieni po trochoidzie. Poza wybranymi ścieżkami narzędzi, pakiety CAM redukują znacznie ruch roboczy, aby dodatkowo skrócić czasy cykli.
 
 
W przypadku korzystania ze zoptymalizowanej ścieżki narzędzia obróbki zgrubnej i spójnego kąta opasania, promień frezu może odpowiadać kątowi skrawanego promienia wewnętrznego bez zagrożenia przeciążenia, zakleszczenia lub podcięcia. Zdolność ta pozwala warsztatom na usuwanie większej ilości materiału podczas obróbki zgrubnej, redukując ilość materiału do usunięcia podczas wykończenia, co zapewnia krótsze czasy cykli obróbki.
 
Zoptymalizowane strategie obróbki zgrubnej stosują się także do konkretnych materiałów elementów obrabianych. Firma Seco przeprowadziła kompleksowe testy z użyciem stali, stali nierdzewnej, żeliwa, tytanu, aluminium i stali o twardości do 48 HRc. Firma zaleca, aby warsztaty stosowały początkowo współczynnik ae do średnicy na poziomie 10 procent lub 5 procent w przypadku materiałów trudnych w obróbce, takich jak tytan i superstopy. Firma Seco określiła zoptymalizowane dane prędkości i posuwu dla tych konkretnych kątów opasania, a także wielu innych. Warsztaty mogą stosować wartości ae wyższe, niż zalecane, lecz wymaga to redukcji prędkości skrawania oraz posuwu na ząb. 
 
Jeśli chodzi o ap, firma Seco oferuje obecnie frezy Jabro®-HPM, zaprojektowane dla ap do 2 x D w przypadku pełnego rowkowania w stali (JHP951 i JHP993). Obróbka taka jest uważana za bardzo agresywną, ale frez ogólnego przeznaczenia firmy Seco, JS554 3C, z łatwością obsługuje nawet 4 x D przy zastosowaniu zoptymalizowanej obróbki zgrubnej. 
 
Ponadto, warsztaty posiadające obrabiarki, które nie są w stanie obsłużyć ciężkiej obróbki zgrubnej, mogą po prostu zredukować kąt opasania i zastosować trochoidalną ścieżkę obróbki. Redukuje to siły skrawania i zmniejsza wymagania odnośnie mocy obrabiarki, oferując jednocześnie wysoką wydajność dzięki zastosowaniu dużej głębokości skrawania.
 
W przypadku zastosowania strategii obróbki zgrubnej do materiałów trudnych w skrawaniu, takich jak stal nierdzewna i tytan, należy stosować chłodziwo na pełnej długości frezu – na górze, w środku i na końcu. Ważne jest chłodzenie całej krawędzi skrawania. W przypadku obrabiania stali i żeliwa warsztaty powinny stosować skompresowane powietrze o maksymalnym ciśnieniu, aby odprowadzać wióry.
 
Należy zauważyć, że warsztaty nie są w stanie stosować opartych na systemach CAM strategii obróbki zgrubnej w przypadku programowania na obrabiarce, ponieważ programy muszą być generowane zewnętrznie przy użyciu specjalnych pakietów optymalizacji ścieżki narzędzia. Jednakże w przypadku programowania na obrabiarce warsztaty mogą ręcznie wprowadzać dane kąta opasania określone przez firmę Seco. Dotyczy to jednak tylko prostych operacji obróbki zgrubnej oraz stałych cykli trochoidalnych.
 
Testy praktyczne
 
Zoptymalizowane strategie obróbki zgrubnej sprawdzają się idealnie w przypadku frezów o zwiększonej długości, jednakże firma Seco przeprowadziła także testy kątów opasania dla narzędzi o długości standardowej. W jednym z testów firma Seco użyła standardowego frezu Jabro 554 przy prędkości skrawania 300 m/min, głębokości skrawania 20 mm, ae 1 mm i posuwie na ząb 0,2 mm, co pozwoliło na uzyskanie czasu cyklu obróbki wynoszącego 4 minuty i 26 sekund. Następnie technicy zmienili ae na 2 mm i zmniejszyli posuw na ząb do 0,1 mm. Chociaż tempo odprowadzania metalu pozostało niezmienne, czas cyklu obróbki spadł do 3 minut i 11 sekund. Krótszy czas cyklu osiągnięto, ponieważ wyższa ae nie zwiększyła prędkości skrawania, ale zmniejszyła liczbę wymaganych przejść. W związku z tym czas obróbki zgrubnej części zmniejszył się.
 
 
Dla jednego ze swych klientów z branży lotniczej firma Seco przeprowadziła demonstrację korzyści strategii obróbki zgrubnej, stosując obrabiarkę z wrzecionem BT40 klienta i jeden z rzeczywistych komponentów klienta. Klient zazwyczaj prowadzi obróbkę zgrubną tych części przy użyciu konwencjonalnych ścieżek narzędzi i standardowych parametrów obróbki, w przypadku których czas obróbki zgrubnej wynosi godzinę na element.
 
Firma Seco zastosowała frez o największej możliwej średnicy – długi frez JS554 3C o średnicy 25 mm z rozdzielaczami wiórów. Razem ze zoptymalizowanymi strategiami obróbki zgrubnej i ścieżkami narzędzi, frezy skróciły stary cykl obróbki zgrubnej do niesamowitej wartości 8 minut. Dodatkowo, firma Seco ocenia, że istnieje możliwość uzyskania dalszej oszczędności czasu (najprawdopodobniej skrócenia czasu obróbki do 6 minut) w przypadku zastosowania obrabiarki o wyższej mocy. 
 
Kolejny klient firmy Seco doświadczył korzyści płynących ze zoptymalizowanych strategii obróbki zgrubnej i ścieżek narzędzia dla komponentu z branży motoryzacyjnej. Możliwe okazało się nie tylko skrócenie łącznego czasu obróbki części z 8,5 minuty do zaledwie 1,1 minuty, lecz także zwiększenie trwałości narzędzia z 80 części na 250 części na frez.
 
W przypadku klienta firmy Seco potrzebującego obróbki zgrubnej formy komponentu motocykla, zoptymalizowana obróbka zgrubna i ścieżki narzędzi skróciły cykl obróbki z 900 do 400 minut. Klient stosował wymienne frezy o dużym posuwie do pierwszej i drugiej operacji obróbki zgrubnej, lecz następnie zmienił pierwszy frez na JS554 3C o średnicy 25 mm, zachowując frez o dużym posuwie do drugiej operacji.
 
Wnioski
 
Kąt opasania i średnia grubość wióra to kwestie kluczowe dla zoptymalizowanych operacji obróbki zgrubnej. Dzięki specjalnym pakietom oprogramowania CAM, przeznaczonym do optymalizacji ścieżki narzędzi i dynamicznych metod frezowania, producenci mogą teraz zmieniać i kontrolować kąt opasania narzędzia oraz zachować stałe obciążenia. Dzięki temu mogą efektywnie kontrolować temperaturę procesów, stosować wyższe prędkości skrawania i posuwy na ząb, a także stosować większą głębokość skrawania, znacznie skracając łączne czasy cykli obróbki części.
 
Jednakże producenci powinni pamiętać, że zoptymalizowana obróbka zgrubna wymaga odpowiednich pakietów CAM do programowania zewnętrznego. Podczas gdy większość dostawców narzędzi skrawających oferuje produkty dla konkretnych materiałów, niektórzy tworzą geometrie narzędzi dla konkretnych, zaawansowanych cykli obróbki i wymaganych ścieżek narzędzi. Dzięki zastosowaniu odpowiednich frezów i cykli dynamicznych producenci mogą zwiększyć tempo usuwania materiału nawet o 500 procent w porównaniu z tradycyjnymi metodami obróbki.

Podobne artykuły