Что такое контурное фрезерование CNC? Проектирование траектории подачи и параметров резания

При обработке по технологии CNC траектория, по которой движется точка расположения режущего инструмента относительно заготовки, называется траекторией обработки. Проектирование траектории напрямую влияет на точность размеров и шероховатость поверхности. Подходящая траектория должна соответствовать четырем принципам:

1. Он должен обеспечивать требуемую точность и качество поверхности при сохранении высокой производительности.
2. Это должно упростить численные вычисления и сократить объем работ по программированию.
3. Она должна быть настолько короткой, насколько это возможно, чтобы сократить как время выполнения программных блоков, так и время, не связанное с резанием.
4. Он должен учитывать допустимый запас прочности и жесткость станка, инструмента и заготовки.

Врезание, выход из резания и компенсация радиуса фрезы

При контурном фрезеровании, как правило, требуется компенсация радиуса фрезы. В траектории инструмента компенсация должна устанавливаться до того, как фреза войдет в заготовку, и отменяться только после того, как фреза покинет заготовку.

При входе в профиль или выходе из него режущий инструмент должен двигаться по линии или дуге, касательной к контуру. Касательный вход и выход позволяют избежать следов от инструмента, которые могут возникать при прямом перпендикулярном подходе, и помогают сохранить гладкость готового контура.

Один из простых методов заключается в установке компенсации радиуса во время движения резака по прямой линии от точки S к контуру. Затем резец возвращается в точку S по прямой линии, и во время возврата компенсация отменяется. Этот прямой подход эффективен, однако при контакте в точке соприкосновения резца с профилем может остаться заметный след. Поэтому он более подходит в тех случаях, когда требования к контуру не являются строгими.

Для получения высококачественного контура компенсация радиуса устанавливается во время прямолинейного перемещения от точки S, не затрагивающего готовый профиль. При включенной компенсации резец по дуге плавно и тангенциально входит в круглый контур. После завершения обработки контура последовательность выхода повторяется в обратном порядке, а компенсация отключается во время заключительного прямолинейного возврата.

По завершении фрезерования внешнего контура фреза должна входить в заготовку по касательной с внешней стороны профиля и выходить по касательной после завершения обработки.

Параметры резания при контурном фрезеровании

Осевая и радиальная глубина резания

Длина канала, или длина боковой режущей кромки, определяет максимальную глубину резания. На практике осевая глубина резания в направлении Z (a_p) не должна превышать 1,5-кратного диаметра режущего элемента. Радиальная глубина реза (a_w) не должен превышать радиус режущего элемента.

Фреза меньшего диаметра требует меньшей глубины резания для обеспечения достаточной жесткости.

При черновой обработке необработанной поверхности с помощью концевой фрезы для тяжелого резания можно использовать зубчатую черновую концевую фрезу, если это допускает система «станок-заготовка». Если необходимо удалить большой припуск, предпочтительнее использовать концевую фрезу большего диаметра и меньшей длины.

Такое сочетание помогает предотвратить вибрацию и прогиб режущего инструмента при интенсивной резке или, по крайней мере, сводит оба этих явления к минимуму.

Скорость подачи

Различные условия эксплуатации требуют разных скоростей подачи. Движение подачи можно разделить на два типа:

• Скорость быстрого перемещения: скорость подачи, используемая при перемещении без резания.
• Скорость подачи при механической обработке: рабочий подающий механизм, используемый при входе, выходе и резке.

Для повышения эффективности и сокращения времени, не связанного с резанием, скорость быстрого перемещения должна быть максимально возможной и, как правило, равна максимальной скорости, допускаемой станком.

Скорость подачи при механической обработке (v_f) зависит от скорости резака (n), количество зубцов (z), а также подача на зуб (f_z) следующим образом:

v_f = f_z · z · n      Уравнение (5-1)

где:

• v_f — это скорость подачи;
• f_z — это подача на зуб, выраженная в миллиметрах на зуб (мм/зуб);
• z — это количество зубьев режущего инструмента; и
• n — это скорость вращения режущего инструмента.

Подача на зуб (f_z) выбирается в основном с учетом механических свойств материала заготовки, материала режущего инструмента и требуемой шероховатости поверхности.

По мере увеличения прочности и твердости заготовки, f_z должны уменьшаться; по мере их уменьшения, f_z может увеличиться. Резец из карбида обычно позволяет обеспечить более высокую подачу на зуб, чем аналогичный резец из быстрорежущей стали.

Более строгие требования к шероховатости поверхности требуют использования меньшего f_z. Для заготовки с низкой жесткостью или режущего инструмента с ограниченной прочностью также требуется меньшее значение.

Скорость подачи по дугам окружности

При круговой интерполяции фактическая скорость подачи в точке резания (v_T) отличается от заданной скорости подачи в центре резака (v_f) из-за радиуса дуги.

Для наружной дуги фактическая скорость подачи в точке резания составляет:

v_T = RR + r · v_f

Следовательно: v_T < v_f

Для внутренней дуги фактическая скорость подачи в точке резания составляет:

v_T = RR − r · v_f

Следовательно: v_T > v_f

Если R ≈ r, фактическая скорость подачи в точке резания становится чрезвычайно высокой и может привести к повреждению инструмента или заготовки. Поэтому при выборе запрограммированной скорости подачи необходимо учитывать влияние радиуса дуги.

На выбор скорости подачи влияют и другие особые факторы. Например, при контурной обработке инерция или деформация системы обработки могут приводить к перебегу или недобегу на углу.

Если резец перемещается из точки A в сторону точки B с высокой скоростью подачи, инерция может привести к перебегу и избыточному срезу в углу B. Из угла удаляется избыточный материал, что приводит к погрешности контура.

Решить эту проблему можно с помощью регулируемой скорости подачи. Необходимо соответствующим образом уменьшить скорость подачи перед входом в угол, а затем постепенно увеличить её после того, как резец пройдет угол.

Частота вращения шпинделя фрезы

При обработке стали фреза с сменными твердосплавными пластинами, как правило, должна работать на более высокой частоте вращения шпинделя, чем стандартная фреза из быстрорежущей стали.

По мере увеличения частоты вращения шпинделя при обработке твердосплавных материалов температура стали, соприкасающейся с режущей кромкой, также повышается. Материал локально размягчается, что создает более благоприятные условия резания.

Скорость вращения шпинделя при работе с твердосплавным резаком, как правило, в три–пять раз превышает скорость, используемую при работе со стандартным резаком из быстрорежущей стали. Использование твердосплавного торцевого фрезы с сменными пластинами при слишком низкой скорости вращения шпинделя может привести к сколам на твердосплавном покрытии или даже к его выходу из строя.

Однако в случае с резаком из быстрорежущей стали чрезмерно высокая частота вращения шпинделя ускоряет износ инструмента.

Скорость фрезерования также можно выбрать, ориентируясь на соответствующую таблицу скоростей резания.

[МЕСТО ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ: Справочная таблица скоростей резания при фрезеровании]

Рисунок: Справочная таблица скоростей резания при фрезеровании

Вибрации и коррекция параметров резания

Во время обработки концевая фреза может вибрировать. К числу наиболее распространённых причин относятся: ненадежное закрепление инструмента, чрезмерный вылет режущей кромки за пределы держателя, слишком большая глубина резания или скорость подачи при обработке тонких стенок, а также прогиб режущей кромки.

Вибрация приводит к неравномерному зацеплению по периферии режущих кромок концевой фрезы. Фактическая режущая нагрузка может превышать расчетное значение, что снижает точность обработки и сокращает срок службы инструмента.

При появлении вибрации уменьшите как скорость резания, так и скорость подачи. Если после уменьшения обоих параметров на величину 40% вибрация по-прежнему остается значительной, уменьшите глубину резания.

Если вибрация по-прежнему сохраняется, проверьте метод обработки и жесткость закрепления заготовки.