Automatyka i mechanika

Ewolucja modeli grubości wióra przy frezowaniu.

By  | 

Wyniki procesów skrawania metali są determinowane przez wiele czynników. Do najważniejszych i najmniej rozpoznanych czynników należy „grubość wióra” skrawanego przez narzędzie skrawające. Zasadniczo terminem „grubość wióra” określany jest wynik pomiaru grubości nieodkształconego materiału pod kątem prostym do krawędzi skrawającej. Grubość wióra jest ściśle skorelowana np. z siłami działającymi na narzędzie i przedmiot obrabiany. Nadmiernie duża grubość wióra prowadzi do odpryskiwania i pękania krawędzi skrawającej, natomiast niedostateczna grubość wióra powoduje szybkie zużywanie się krawędzi.

8305-PL_HQ_ILL_Metal_Cutting_Tools_Cutting_Conditions

Ilustracja 1: HQ ILL Metal Cutting Tools Cutting Conditions

Określenie i kontrolowanie grubości wióra umożliwia producentowi zmaksymalizowanie produktywności i wydajności skrawania metali, dostosowanie procesu skrawania do określonych materiałów elementów obrabianych oraz kontrolowanie kosztów. Brak zrozumienia ważności grubości wióra prowadzi w przypadku wielu producentów do przeciążania lub do niepełnego wykorzystywania narzędzi skrawających, co ma ujemny wpływ na trwałość narzędzi i produktywność.

Mając na uwadze powyższe, opracowano modele matematyczne, które ułatwiają zrozumienie funkcjonalnego znaczenia grubości wióra. Modele grubości wióra ewoluowały z prostych równań, opisujących wióry powstające w ustalonych operacjach toczenia, aż do złożonych wzorów, uwzględniających liczne zmienne występujące w środowisku przerywanego skrawania podczas frezowania.

Modele grubości wióra przy frezowaniu
Podczas ciągłej operacji toczenia grubość wióra nie ulega zmianie. Natomiast w przypadku frezowania grubość wiórów nieustannie się zmienia, ponieważ krawędź skrawająca co pewien czas wchodzi i wychodzi z elementu obrabianego.

8305-PL_HQ_ILL_Chip_Thickness_In_Milling

Ilustracja 2: HQ ILL Chip Thickness In Milling

Aby ułatwić zrozumienie zagadnienia grubości wióra podczas frezowania, około 40 lat temu badacze zajmujący się skrawaniem metali opracowali pojęcie średniej grubości wióra. Opracowany przez nich wzór umożliwia tworzenie w sposób matematyczny teoretycznego wióra o stałej średniej grubości. Model średniej grubości wióra przyczynił się do lepszego zrozumienia i kontrolowania procesu frezowania.

Podczas określania średniej grubości wióra należy wziąć pod uwagę promieniowe wejście frezu w element obrabiany, a także geometrię krawędzi skrawającej, kąt krawędzi skrawającej oraz prędkość posuwu. Odpowiednie dostosowanie prędkości posuwu umożliwia frezerowi manipulowanie grubością wióra.

Stopień promieniowego wejścia frezu w element obrabiany może wahać się od niewielkiego procentu średnicy frezu do 100 procent średnicy frezu w przypadku operacji frezowania rowków. Mniejsze wejście promieniowe powoduje powstawanie cieńszych wiórów. Wraz ze wzrostem promieniowego wejścia frezu grubość wiórów osiąga swoje maksimum przy 50 procentach średnicy frezu. Gdy promieniowe wejście frezu przekroczy 50 procent, grubość wiórów zaczyna ponownie maleć.

Przygotowanie krawędzi skrawającej również wpływa na grubość wióra. Z reguły grubość wióra musi być co najmniej równa promieniowi krawędzi skrawającej. Na przykład promień krawędzi wynoszący 60 µm wymaga takiego wyregulowania posuwu, aby grubość powstającego wióra wynosiła co najmniej 60 µm. Przy zbyt niskiej prędkości posuwu krawędź będzie się ocierać i nie będzie skrawać materiału elementu obrabianego.

Krawędzie skrawające narzędzia frezującego są zwykle przygotowywane w sposób zwiększający promień krawędzi, aby zapewnić ochronę przed odpryskiwaniem i pękaniem. Tego typu przygotowania obejmują zaokrąglanie, fazowanie i wykonywanie powierzchni styku w kształcie litery T. Takie przygotowania umożliwiają stosowanie bardziej agresywnych prędkości posuwu podczas frezowania trudnych materiałów lub chropowatych powierzchni. Ma to na celu formowanie wióra za krawędzią skrawającą i w ten sposób unikanie występowania koncentracji nacisku i udaru tam, gdzie będzie to powodować przyspieszone zużywanie się krawędzi lub jej pękanie. Odpowiednie dostosowywanie prędkości posuwu przesuwa miejsce powstawania wióra i reguluje grubość wióra. Zwiększanie prędkości posuwu powoduje powstawanie grubszego wióra, zaś zmniejszanie prędkości posuwu powoduje powstawanie cieńszych wiórów.

Kąt krawędzi skrawającej ma bezpośredni wpływ na grubość wióra. Gdy kąt krawędzi skrawającej wynosi 90 stopni, tak jak w przypadku frezu do wybrań kątowych, grubość wióra wynosi 100 procent prędkości posuwu. Ale przy kącie krawędzi skrawającej wynoszącym 45 stopni, grubość wióra wynosi 70 procent prędkości posuwu, ponieważ wiór formuje się na większej długości krawędzi skrawającej. Zmniejszenie kąta krawędzi skrawającej powoduje zmniejszenie grubości wióra, w związku z czym prędkość posuwu musi zostać zwiększona w celu utrzymania wymaganej grubości wióra.

Zastosowanie równania dotyczącego średniej grubości wióra
Równanie dotyczące średniej grubości wióra uwzględnia kąt krawędzi skrawającej narzędzia oraz promieniowe wejście frezu. Na ilustracji 3 przestawiono wykres obrazujący zastosowanie równania w przypadku frezowania bocznego (kolor niebieski) oraz frezowania centralnego (kolor czerwony). Na głównym wykresie promieniowe wejście frezu zostało porównane ze średnicą frezu, co wyrażono stosunkiem Ae/Dc. Na mniejszym wykresie, w narożniku ilustracji, pokazano wpływ kąta krawędzi skrawającej.

8305-PL_HQ_ILL_Average_Chip_Thickness

Ilustracja 3: HQ ILL Average Chip Thickness

Na ilustracji pokazano sytuację, gdy wzór dotyczący średniej grubości wióra nie jest w pełni użyteczny. W przypadku frezowania bocznego z wejściem promieniowym, które jest bardzo małe w porównaniu do średnicy głowicy frezarskiej, wzór nie funkcjonuje prawidłowo (patrz linia przerywana). Natomiast w przypadku frezowania centralnego, gdy co najmniej 50 procent frezu bierze udział we frezowaniu, czerwona linia pokazuje ciągle rosnąca prędkość posuwu. Stoi to w sprzeczności z doświadczeniem praktycznym, gdzie większe wejście frezu narzuca zwykle zmniejszenie prędkości posuwu. W związku z tym, model średniej grubości wióra jest najbardziej przydatny, gdy wejście promieniowe jest większe niż 20 do 25 procent średnicy frezu i mniejsze niż 50 do 75% tej średnicy.

Model średniej grubości wióra jest oparty na czynnikach geometrycznych i upraszcza bardziej złożoną sytuację. Dziesięciolecia doświadczeń wykazały, że stosowanie modelu średniej grubości wióra w równaniach dotyczących trwałości narzędzi pozwala uzyskać dane szacunkowe, których dokładność można ocenić na plus lub minus 15 procent. Ten poziom dokładności jest wystarczający w przypadku obliczeń dotyczących mocy i momentu obrotowego oraz wielu operacji wykonywanych w typowych materiałach elementów obrabianych. Ponadto, czas i wysiłek poświęcony na obliczenia niezbędne do ręcznego rozwiązania równania średniej grubości wióra są do zaakceptowania.

Jeśli jednak konkretne zastosowania wymagają większego stopnia dokładności lub gdy frezowanie dotyczy tzw. materiałów trudnych w obróbce, niezbędne jest użycie modelu uwzględniającego dodatkowego czynniki.

Równoważna grubość wióra
Szwedzki badacz Sören Hägglund opracował bardziej całościowy model, który uwzględnia pomiar zwany równoważną grubością wióra, co umożliwia szacowanie trwałości narzędzia z plus lub minus dwuprocentową dokładnością. W modelu pokazanym na ilustracji 4 żółty łuk reprezentuje zmieniającą się grubość rzeczywistego wióra wytwarzanego przez głowicę frezarską. Pomarańczowy słupek, który ilustruje średnią grubość wióra, jest nierozwiniętą wersją żółtego wióra. Niebieski słupek reprezentuje równoważną grubość wióra. Kluczowa różnica polega na tym, że model równoważnej grubości wióra bierze pod uwagę czas, podczas którego krawędź narzędzia wykonuje skrawanie. Jest to ważne, gdyż wraz ze zmianą wielkości wejścia frezu w element obrabiany, czas przebywania krawędzi skrawającej w skrawanym elemencie ulega zmianie i grubość wytwarzanego wióra również się zmienia.

8305-PL_HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_For_Milling

Ilustracja 4: HQ ILL Equivalent Chip Thickness For Milling

Model równoważnej grubości wióra bierze również pod uwagę wpływ promienia zaokrąglenia ostrza narzędzia na grubość wióra. Model wykorzystuje pojęcie opracowane pierwotnie dla operacji toczenia przez szwedzkiego inżyniera Ragnara Woxéna we wczesnych latach 30. XX wieku. Wzór Woxéna umożliwia obliczanie teoretycznej grubości wióra wzdłuż ostrza narzędzia, wyprostowując w gruncie rzeczy promień ostrza i umożliwiając opisanie obszaru tworzenia wióra przy użyciu prostokąta.

8305-PL_HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_Woxen_Model

Ilustracja 5: HQ ILL Equivalent Chip Thickness Woxen Model

Obliczenia dotyczące grubości wióra pomagają producentom unikać problemów występujących w sytuacji, gdy wióry są cieńsze niż pewne dopuszczalne minimum lub grubsze niż określone maksimum. Gdy wejście promieniowe rośnie w stosunku do średnicy frezu, prędkość posuwu musi być obniżana, aby utrzymać tę samą grubość wióra. Zabezpiecza to przed nadmierną maksymalną grubością wióra, który to stan powoduje skrócenie okresu trwałości narzędzia i prowadzi do pęknięcia frezu.

Z drugiej strony, powstawanie wiórów grubszych niż pewne minimum jest szczególnie ważne podczas obróbki skrawaniem materiałów utwardzanych zgniotowo, takich jak superstopy i tytan. Krawędź skrawająca tworząca zbyt cienkie wióry powoduje powstawanie strefy utwardzonej, która jest skrawana przez kolejne krawędzie skrawające. Skrawanie powstającej w ten sposób warstwy utwardzonego zgniotowo materiału przyspiesza zużywanie się narzędzia i może nawet trzykrotnie skrócić okres trwałości narzędzia.

Wiele zakładów skrawa materiały utwardzane zgniotowo w taki sam sposób jak stal hartowaną, stosując mniejsze głębokości skrawania i niższe prędkości posuwu. W rezultacie głowice frezarskie często pracują przy parametrach, które powodują powstawanie wiórów o niedostatecznej grubości, w wyniku czego uzyskiwane są słabe rezultaty obróbki skrawaniem. Wybór techniki frezowania przeciwbieżnego lub współbieżnego (patrz pasek boczny) ma również wpływ na grubość wióra i obróbkę skrawaniem materiałów utwardzanych zgniotowo.

Wnioski
Kontrola grubości wióra jest kluczowym czynnikiem pomyślnego wykonywania operacji frezowania. Pełne wykorzystanie koncepcji dotyczących grubości wióra wymaga obliczenia w pierwszej kolejności równoważnej grubości wióra, następnie zaś ustalenia minimalnej i maksymalnej grubości wióra.

Ze względu na to, że złożony model równoważnej grubości wióra obejmuje wiele zmiennych, obliczenia niezbędne do rozwiązania równania pochłaniają dużo więcej czasu i wysiłku, niż ma to miejsce w przypadku uproszczonego modelu dla średniej grubości wióra. Ręczne wykonywanie obliczeń w środowisku produkcyjnym nie jest efektywne ani kosztowo, ani czasowo.

Jednakże dostępność programów komputerowych do obliczania parametrów obróbki skrawaniem, takich jak programy oferowane przez firmę Seco, umożliwia użytkownikom wprowadzanie danych i rozwiązywanie równań w ciągu kilku sekund. Zapewnia to optymalizację procesów frezowania, co przyczynia się do wzrostu wydajności i dochodowości.

Pasek boczny
Grubość wióra a technika frezowania
Równorzędną rolę w stosunku do pojęcia równoważnej grubości wióra pełni uwzględnienie sposobu formowania wiórów. Formowanie wiórów podczas frezowania odbywa się na dwa różne sposoby i zależy od obrotów frezu w stosunku do ruchu elementu obrabianego. Te dwa sposoby to frezowanie przeciwbieżne (w górę) lub współbieżne (w dół). W przypadku frezowania przeciwbieżnego frez obraca w kierunku przeciwnym do kierunku posuwu elementu obrabianego. W przypadku frezowania współbieżnego frez obraca się w kierunku zgodnym z kierunkiem posuwu elementu obrabianego.

8305-PL_HQ_ILL_Up_Milling_Versus_Down_Milling

Ilustracja 6: HQ ILL Up Milling Versus Down Milling

W przypadku frezowania przeciwbieżnego krawędź skrawająca wchodzi w element obrabiany przy zerowej głębokości skrawania. Wiór zaczyna się formować z minimalną grubością i kończy z maksymalną grubością. Przeciwnie wygląda to w przypadku frezowania współbieżnego — wiór zaczyna się formować z maksymalną grubością i zwęża się do swojego minimum.

Podczas frezowania przeciwbieżnego krawędź skrawająca ociera się o powierzchnię elementu obrabianego przed rozpoczęciem skrawania, zaś cienki wiór słabo pochłania ciepło. Obie te sytuacje przyczyniają się do zgniotowego utwardzania powierzchni elementu obrabianego i skrócenia okresu trwałości narzędzia. Wióry spadają przed frezem, gdzie mogą być ponownie przecinane i pogarszać wykończenie powierzchni. W przypadku frezowania poziomego skierowane do góry siły skrawania mogą unosić element obrabiany, czyniąc niezbędnym używanie skomplikowanych uchwytów mocujących element obrabiany.

Frezowanie współbieżne jest preferowane z kilku powodów. Eliminuje ono ocieranie się krawędzi skrawającej podczas rozpoczynania skrawania, maksymalizując okres trwałości narzędzia i ograniczając wytwarzanie ciepła. Wymagana jest niższa moc frezarki, zaś wióry spadają za frezem, co ogranicza do minimum ich ponowne przecinanie i poprawia wykończenie powierzchni, a także przedłuża trwałość narzędzia. Czynność skrawania generuje siłę skierowaną w dół, która pomaga w stabilizacji elementu obrabianego i upraszcza jego mocowanie. Początkowa grubość wióra umożliwia odprowadzanie ciepła i ogranicza do minimum zgniotowe utwardzanie powierzchni elementu obrabianego podczas skrawania takich materiałów jak superstopy, stal nierdzewna i tytan.

Jednakże skierowane w dół siły powstające podczas frezowania współbieżnego mogą powodować luz stołu frezarki, szczególnie w przypadku starszego i/lub ręcznego sprzętu frezarskiego. Luz utrudnia zachowanie dokładności i zwiększa obciążenie wywierane przez wiór na frez do poziomu, który może spowodować jego pęknięcie. W rezultacie, w sytuacjach dotyczących mniej stabilnych frezarek i elementów obrabianych, wymagane może być stosowanie frezowania przeciwbieżnego.

Frezowanie przeciwbieżne może być również preferowane w przypadku frezowania odlewów, odkuwek i materiałów utwardzonych powierzchniowo metodami obróbki cieplno-chemicznej. Wynika to stąd, że skrawanie przeciwbieżne zaczyna się pod utwardzoną lub chropowatą powierzchnią materiału, podczas gdy wejście narzędzia w element obrabiany przy pełnej grubości wióra w przypadku frezowania współbieżnego może powodować odpryskiwanie krawędzi skrawającej w momencie zetknięcia się z utwardzoną strefą materiału.

Autor:
Patrick de Vos, menedżer ds. korporacyjnej edukacji technicznej, Seco Tools

Siedziba firmy Seco znajduje się w miejscowości Fagersta (Szwecja), ale zasięg firmy obejmuje 75 krajów, co sprawia, że jest to jeden z największych dostawców kompleksowych rozwiązań z zakresu skrawania metali: frezowania, toczenia, wiercenia otworów i gwintowania. Od ponad 80 lat firma Seco współpracuje z producentami ze wszystkich branż i opracowuje narzędzia, procesy oraz usługi niezbędne do maksymalizacji produktywności i dochodowości. Więcej informacji można uzyskać u miejscowego przedstawiciela firmy Seco lub na stronie internetowej www.secotools.com.

Seco Tools (Poland) Sp. z o.o.
ul. Naukowa 1
02-463 Warszawa
HOSZWA Marcin
Phone : +48 607 559 607
Fax : +48 22 637 53 84
marcin.hoszwa@secotools.com

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *