Czym jest frezowanie konturowe CNC? Projektowanie toru posuwu i parametrów skrawania

W obróbce metodą CNC tor, po którym porusza się punkt położenia frezu względem detalu, nazywany jest torem obróbki. Projektowanie toru ma bezpośredni wpływ na dokładność wymiarową i chropowatość powierzchni. Odpowiedni tor powinien być zgodny z czterema zasadami:

1. Powinien on zapewnić wymaganą dokładność i jakość wykończenia powierzchni przy zachowaniu wysokiej wydajności.
2. Powinno to uprościć obliczenia numeryczne i zmniejszyć nakład pracy związany z programowaniem.
3. Powinien być tak krótki, jak to tylko możliwe, aby skrócić zarówno bloki programu, jak i czas niepoświęcony na cięcie.
4. Powinno to uwzględniać dopuszczalny zapas materiału oraz sztywność maszyny, narzędzia i obrabianego przedmiotu.

Najazd, wyjazd i kompensacja promienia frezu

Frezowanie konturowe zazwyczaj wymaga kompensacji promienia frezu. Ścieżka narzędzia powinna ustalić kompensację przed zetknięciem się frezu z obrabianym elementem i anulować ją dopiero po oderwaniu się frezu od obrabianego elementu.

Podczas wchodzenia w kontur lub wychodzenia z niego frez powinien poruszać się wzdłuż linii lub łuku stycznego do konturu. Styczne wchodzenie i wychodzenie pozwala uniknąć śladów po narzędziu, które mogą powstać w wyniku bezpośredniego podejścia prostopadłego, oraz pomaga zachować gładkość gotowego konturu.

Jedna z prostych metod polega na ustaleniu kompensacji promienia, gdy frez porusza się po linii prostej od punktu S w kierunku konturu. Następnie frez wraca do punktu S po linii prostej, a kompensacja zostaje wyłączona podczas powrotu. To bezpośrednie podejście jest skuteczne, ale kontakt w miejscu styku frezu z profilem może pozostawić widoczny ślad. Dlatego też metoda ta jest bardziej odpowiednia, gdy wymagania dotyczące konturu nie są rygorystyczne.

Aby uzyskać kontur o wysokiej jakości, kompensacja promienia jest ustalana podczas ruchu prostego z punktu S, który nie styka się z gotowym profilem. Przy włączonej kompensacji łuk prowadzi następnie frez w naturalny i styczny sposób do konturu kołowego. Po zakończeniu konturu sekwencja wyjścia jest odwracana, a kompensacja zostaje wyłączona podczas końcowego ruchu prostego powrotnego.

Po zakończeniu frezowania konturu zewnętrznego frez powinien wchodzić stycznie od strony zewnętrznej profilu, a po zakończeniu obróbki wycofywać się wzdłuż stycznej.

Parametry skrawania przy frezowaniu konturowym

Głębokość skrawania osiowa i promieniowa

Długość rowka lub długość bocznej krawędzi tnącej określa maksymalną głębokość cięcia. W praktyce osiowa głębokość cięcia w kierunku Z (a_p) nie powinna przekraczać 1,5-krotności średnicy frezu. Promieniowa głębokość skrawania (a_w) nie powinien przekraczać promienia frezu.

Freza czołowa o mniejszej średnicy wymaga mniejszej głębokości skrawania, aby zachować odpowiednią sztywność.

Podczas zgrubnej obróbki nieobrobionej powierzchni za pomocą frezu trzpieniowego można zastosować frez zgrubny z ząbkami do ciężkiej obróbki, o ile pozwala na to układ maszyna-obrabiarka-obrabiany przedmiot. Jeśli konieczne jest usunięcie dużej naddatku, zaleca się użycie frezu trzpieniowego o większej średnicy i mniejszej długości.

Takie połączenie pomaga zapobiegać drganiom i ugięciom frezu podczas cięcia z dużym obciążeniem lub przynajmniej ogranicza oba te zjawiska do minimum.

Prędkość posuwu

Różne warunki pracy wymagają różnych prędkości posuwu. Ruch posuwowy można podzielić na dwa rodzaje:

• Prędkość szybkiego przesuwu: prędkość posuwu stosowana podczas ruchu bez skrawania.
• Prędkość posuwu podczas obróbki: pasza robocza stosowana podczas wprowadzania, wyprowadzania i cięcia.

Aby zwiększyć wydajność i skrócić czas nie związany z obróbką, prędkość posuwu szybkiego powinna być tak duża, jak to tylko możliwe, i zazwyczaj wykorzystuje się maksymalną prędkość dopuszczalną przez maszynę.

Prędkość posuwu podczas obróbki (v_f) jest powiązana z prędkością frezu (n), liczba zębów (z), oraz dawka na ząb (f_z) w następujący sposób:

v_f = f_z · z · n      Równanie (5-1)

gdzie:

• v_f to prędkość posuwu;
• f_z to posuw na ząb, wyrażony w milimetrach na ząb (mm/ząb);
• z to liczba zębów frezu; oraz
• n to prędkość obrotowa frezu.

Ilość paszy na ząb (f_z) dobiera się głównie na podstawie właściwości mechanicznych materiału obrabianego, materiału frezu oraz wymaganej chropowatości powierzchni.

Wraz ze wzrostem wytrzymałości i twardości obrabianego elementu, f_z powinny się zmniejszać; w miarę jak się zmniejszają, f_z może wzrosnąć. Frez z węglików spiekanych zazwyczaj pozwala na większy posuw na ząb niż porównywalny frez ze stali szybkotnącej.

Wymóg uzyskania mniejszej chropowatości powierzchni wymaga zastosowania mniejszego f_z. Mniejsza wartość jest również wymagana w przypadku przedmiotu obrabianego o niskiej sztywności lub frezu o ograniczonej wytrzymałości.

Prędkość posuwu na łukach kołowych

Podczas interpolacji kołowej rzeczywista prędkość posuwu w punkcie skrawania (v_T) różni się od wybranej prędkości posuwu w środku frezu (v_f) ze względu na promień łuku.

W przypadku łuku zewnętrznego rzeczywista prędkość posuwu w punkcie cięcia wynosi:

v_T = RR + r · v_f

W związku z tym: v_T < v_f

W przypadku łuku wewnętrznego rzeczywista prędkość posuwu w punkcie cięcia wynosi:

v_T = RR − r · v_f

W związku z tym: v_T > v_f

Jeśli R ≈ r, rzeczywista prędkość posuwu w punkcie cięcia staje się niezwykle wysoka i może spowodować uszkodzenie narzędzia lub obrabianego elementu. Przy wyborze zaprogramowanej prędkości posuwu należy zatem uwzględnić wpływ promienia łuku.

Na wybór prędkości posuwu wpływają również inne czynniki szczególne. Na przykład podczas obróbki konturowej bezwładność lub odkształcenie układu obróbczego mogą powodować przekroczenie lub niedosiągnięcie pozycji w punkcie narożnym.

Jeśli frez przemieszcza się z punktu A w kierunku punktu B z dużą prędkością posuwu, bezwładność może spowodować przekroczenie docelowej pozycji i nadmierne wyfrezowanie w narożniku B. Nadmiar materiału zostaje usunięty z narożnika, co powoduje błąd konturu.

Problem ten można rozwiązać, stosując zmienną prędkość posuwu. Należy odpowiednio zmniejszyć posuw przed dotarciem do narożnika, a następnie stopniowo go zwiększać po minięciu narożnika przez frez.

Prędkość obrotowa wrzeciona frezarki trzpieniowej

Podczas obróbki stali frez trzpieniowy z wkładkami z węglika spiekanego powinien zasadniczo pracować z wyższą prędkością obrotową wrzeciona niż standardowy frez ze stali szybkotnącej (HSS).

Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona podczas obróbki węglików wzrasta również temperatura stali stykającej się z krawędzią skrawającą. Materiał ulega miejscowemu zmiękczeniu, co stwarza korzystniejsze warunki skrawania.

Prędkość obrotowa wrzeciona stosowana w przypadku frezu z węglików spiekanych wynosi zazwyczaj od trzech do pięciu razy więcej niż w przypadku standardowego frezu ze stali szybkotnącej (HSS). Praca z frezem czołowym z wkładkami z węglików spiekanych przy zbyt niskiej prędkości obrotowej wrzeciona może spowodować odpryskiwanie węglików, a nawet ich uszkodzenie.

W przypadku frezu ze stali szybkotnącej zbyt duża prędkość obrotowa wrzeciona przyspiesza jednak zużycie narzędzia.

Prędkość frezowania można również dobrać, korzystając z odpowiedniej tabeli prędkości skrawania.

[MIEJSCE NA OBRAZ: Tabela referencyjna prędkości skrawania przy frezowaniu]

Rysunek: Tabela referencyjna prędkości skrawania podczas frezowania

Wibracje i korekcja parametrów cięcia

Podczas obróbki frez czołowy może drgać. Do typowych przyczyn należą: nieprawidłowe zamocowanie narzędzia, zbyt duży wysięg ostrza poza uchwyt, zbyt duża głębokość skrawania lub prędkość posuwu podczas obróbki cienkich ścianek oraz ugięcie ostrza.

Wibracje powodują nierównomierne obciążenie krawędzi tnących na obwodzie frezu trzpieniowego. Rzeczywiste obciążenie skrawające może przekroczyć wartość docelową, co zmniejsza dokładność obróbki i skraca żywotność narzędzia.

W przypadku wystąpienia drgań należy zmniejszyć zarówno prędkość skrawania, jak i posuw. Jeśli po zmniejszeniu obu parametrów o 40% nadal występują znaczne drgania, należy zmniejszyć głębokość skrawania.

Jeśli drgania nadal występują, należy sprawdzić metodę obróbki oraz sztywność mocowania.