Jak dobiera się narzędzia i parametry frezowania CNC?

Frezowanie CNC daje powtarzalne rezultaty wtedy, gdy narzędzie, materiał, mocowanie i parametry skrawania są dobrane jako jeden proces. Niewłaściwy frez lub źle ustawione wartości wydłużają obróbkę, pogarszają powierzchnię detalu i mogą wywołać drgania już podczas pierwszego przejścia.

Dobrze ustawiony proces ogranicza ryzyko narostu na ostrzu, ścieniania wióra (chip thinning) oraz drgań samowzbudnych (chatter). Strategie HPC (High Performance Cutting – obróbka wysokowydajna, łącząca duże ap z małym ae i korektą posuwu), HSM (High Speed Machining – obróbka z dużą prędkością skrawania, wymagająca płynnych ścieżek i kontroli obciążenia narzędzia) i chłodzenie MQL (Minimum Quantity Lubrication – smarowanie minimalną ilością środka smarującego) należy dobierać do konkretnego zadania technologicznego.

Próba frezowania i ocena stabilności procesu

Próbę przeprowadza się przy nowym materiale, zmianie geometrii detalu, nietypowym mocowaniu lub zastosowaniu freza o innej geometrii. Pozwala ona ocenić stabilność procesu przed uruchomieniem produkcji jednostkowej albo małoseryjnej.

Dobór narzędzi i parametrów frezowania CNC

Dobór narzędzia i parametrów ma zapewnić wymaganą dokładność, jakość powierzchni oraz stabilną pracę bez niepotrzebnego wydłużania czasu obróbki. Średnica freza, jego geometria, materiał obrabiany, sztywność mocowania, ścieżka narzędzia i chłodzenie tworzą jeden układ. Zmiana któregokolwiek z tych elementów wpływa na pozostałe.

Frez dopasowany do materiału i geometrii detalu

Średnicę freza dobiera się do szerokości obrabianej strefy, promieni naroży, dostępności powierzchni i wymaganej sztywności. Większe narzędzie zwykle lepiej znosi obciążenie i szybciej usuwa materiał, ale nie wejdzie w wąski rowek ani nie odwzoruje małego promienia wewnętrznego. Frez o małej średnicy ułatwia obróbkę złożonej geometrii, lecz jest bardziej podatny na ugięcie, odchyłki wymiarowe i drgania.

Istotna jest także geometria freza. Liczba ostrzy z wpływa na liczbę krawędzi pracujących jednocześnie oraz na ilość miejsca dla wióra. Frez z większą liczbą ostrzy może dobrze sprawdzać się przy obróbce boków detalu, gdy wiór jest krótki i łatwy do usunięcia. Materiały tworzące długie lub klejące wióry wymagają natomiast większej przestrzeni między ostrzami. Zalegający wiór może zostać ponownie przecięty, pogorszyć powierzchnię albo uszkodzić krawędź.

Kąt linii śrubowej wpływa na sposób wejścia ostrza w materiał oraz kierunek działania sił. Łagodniejsza geometria sprzyja płynniejszemu skrawaniu i ogranicza skokowe obciążenia, ale może zwiększać siły osiowe działające na detal. Bardziej agresywna geometria skuteczniej rozbija wiór, jednak w mniej sztywnym układzie częściej powoduje drgania. Dwa frezy o tej samej średnicy i pracujące z identyczną prędkością oraz posuwem mogą zachowywać się inaczej ze względu na liczbę ostrzy, kąt spirali, kształt krawędzi, rdzeń, powłokę i sposób odprowadzania wióra.

Wysięg należy ograniczyć do wartości niezbędnej, aby dotrzeć do obrabianej powierzchni. Wraz ze wzrostem stosunku L/D, czyli długości roboczej do średnicy freza, narzędzie silniej ugina się pod obciążeniem. Skutkiem mogą być nie tylko błędy wymiarowe ścian, lecz także zmienna grubość wióra, nierówne obciążenie ostrzy i drgania samowzbudne. Przy głębokich kieszeniach, wysokich ściankach oraz dużym wysięgu najpierw trzeba zwiększyć sztywność narzędzia, a dopiero później podnosić parametry.

Prędkość skrawania, obroty i posuw

Punktem wyjścia jest prędkość skrawania Vc, czyli prędkość krawędzi freza względem materiału. Obroty wrzeciona n wynikają z prędkości skrawania oraz średnicy narzędzia D. Te same obroty oznaczają inną prędkość skrawania dla frezów o różnych średnicach, dlatego nie należy ustawiać ich bez odniesienia do właściwości materiału i narzędzia.

Zbyt niska prędkość skrawania sprzyja powstawaniu narostu na ostrzu, określanego jako BUE (Built-Up Edge – narost materiału przywierającego do krawędzi skrawającej, zmieniający jej geometrię i pogarszający powtarzalność skrawania). Materiał przywiera wtedy do krawędzi, zmienia jej rzeczywisty kształt i pogarsza powtarzalność skrawania. Oderwany narost zostawia nierówną powierzchnię oraz powoduje nagłe zmiany obciążenia. Zbyt wysoka wartość Vc podnosi temperaturę w strefie skrawania i może skrócić trwałość narzędzia, zwłaszcza przy niedostatecznym chłodzeniu lub usuwaniu wióra.

Posuw na ząb fz określa drogę pojedynczego ostrza podczas skrawania. Posuw minutowy vf zależy od fz, liczby ostrzy z i obrotów n. Zmiana freza na narzędzie o innej liczbie ostrzy wymaga więc ponownego ustawienia posuwu minutowego, nawet jeśli zakładany posuw na ząb pozostaje taki sam.

Posuw na obrót uwzględnia pracę wszystkich ostrzy i przydaje się przy porównywaniu narzędzi o różnej liczbie krawędzi. Obciążenie pojedynczego ostrza najlepiej oceniać jednak przez fz. Zbyt wysoki vf może przeciążyć krawędź, a zbyt niski posuw powoduje, że frez bardziej trze, niż skrawa. Wzrasta wtedy temperatura i pogarszają się warunki pracy narzędzia.

Wcięcie freza i strategia usuwania materiału

Głębokość skrawania ap opisuje wcięcie osiowe freza, a szerokość skrawania ae jego wcięcie promieniowe. Wartości te trzeba rozpatrywać łącznie, ponieważ wpływają na obciążenie narzędzia, ilość usuwanego materiału oraz sposób powstawania wióra.

Duże ap przy małym ae może być korzystne, jeżeli frez ma odpowiednią długość roboczą, a układ pozostaje sztywny. Duże wartości obu parametrów jednocześnie wymagają natomiast kontroli mocy, mocowania oraz odprowadzania wióra.

Przy małym wcięciu promieniowym pojawia się chip thinning, czyli ścienianie wióra. Rzeczywista grubość wióra staje się wtedy mniejsza, niż wynika z ustawionego fz. Bez korekty posuwu na ząb ostrze może zacząć pocierać materiał zamiast go skutecznie oddzielać. Rośnie temperatura, krawędź szybciej się zużywa, a na powierzchni mogą pojawić się ślady tarcia. Przy małym ae zwiększa się więc fz zgodnie z korektą dla ścieniania wióra, z uwzględnieniem możliwości freza, obrabiarki i mocowania.

Strategia HPC łączy ap i ae inaczej niż proste przejścia konwencjonalne. Frezowanie trochoidalne utrzymuje bardziej równomierne obciążenie krawędzi, ponieważ narzędzie porusza się po łukach i ogranicza nagłe wejścia z pełnym wcięciem promieniowym. Jest to przydatne w wąskich rowkach i złożonych kieszeniach, gdzie klasyczna ścieżka mogłaby przeciążyć frez.

Strategia HSM wymaga kontroli zachowania całego układu. Samo zwiększenie obrotów nie wystarcza. Ścieżka powinna zapewniać płynne przejścia, ograniczać nagłe zmiany kierunku i zapobiegać chwilowemu wzrostowi wcięcia freza. Wartości ap i ae należy więc dobierać razem ze ścieżką narzędzia.

Wydajność można oceniać przez MRR (Material Removal Rate – objętościowa szybkość usuwania materiału). W uproszczeniu zależy ona od iloczynu ap, ae i vf. Wyższe MRR nie oznacza automatycznie lepszego procesu. Jeżeli wzrost wydajności powoduje drgania, szybkie zużycie narzędzia albo konieczność dodatkowych przejść wykańczających, wykonanie całego detalu może potrwać dłużej.

Kierunek frezowania, chłodzenie i kontrola narzędzia

Frezowanie współbieżne zaczyna skrawanie od większej grubości wióra, która następnie maleje. Przy sztywnym układzie i prawidłowo skompensowanych luzach zwykle zapewnia lepszą powierzchnię oraz mniejsze tarcie krawędzi o materiał. Ułatwia również odprowadzanie ciepła wraz z wiórem. Siła skrawania może jednak wciągać frez w materiał, dlatego konieczne są stabilne mocowanie detalu, sprawny napęd posuwu i pewne prowadzenie osi.

Frezowanie przeciwbieżne rozpoczyna się od bardzo małej grubości wióra, która rośnie podczas ruchu ostrza. Na początku dominuje tarcie, co może pogarszać powierzchnię i zwiększać zużycie krawędzi, szczególnie przy materiałach podatnych na przywieranie. Ten kierunek stosuje się czasem wtedy, gdy mocowanie, luzy lub sposób wejścia narzędzia nie pozwalają bezpiecznie frezować współbieżnie. Decyzję należy oprzeć na ocenie powierzchni wejściowej, sztywności detalu, kierunku sił i możliwości sprawnego usuwania wióra.

Chłodzenie dobiera się do materiału, narzędzia, ścieżki oraz głównej przyczyny zużycia. Obróbka na sucho sprawdza się, gdy wiór odbiera ciepło, a materiał i powłoka freza są do tego przystosowane. Emulsja obniża temperaturę w strefie skrawania, ułatwia usuwanie wióra i ogranicza przywieranie materiału do ostrza. MQL, czyli smarowanie minimalną ilością środka, zmniejsza tarcie przy małym dopływie cieczy, ale nie zastąpi intensywnego chłodzenia w operacjach, w których głównym problemem pozostaje temperatura.

Stabilność procesu zależy od sztywności układu OUPN: obrabiarki, uchwytu, przedmiotu i narzędzia. Prawidłowe parametry nie wystarczą, jeżeli detal jest cienkościenny, uchwyt ma małą powierzchnię styku albo frez pracuje z nadmiernym wysięgiem. Drgania samowzbudne powodują falistość powierzchni, obciążają wrzeciono, przyspieszają wykruszanie krawędzi i zmieniają rzeczywisty wymiar geometrii.

Trwałość freza ocenia się przez kontrolę zużycia na powierzchni przyłożenia, oznaczanego jako VB. Nie należy czekać na uszkodzenie narzędzia. Zużycie zwiększa siłę skrawania i temperaturę, dlatego po przekroczeniu ustalonego kryterium frez wymienia się albo przekazuje do regeneracji. Praca do chwili wykruszenia może uszkodzić detal, oprawkę lub obrabiarkę.

Parametry trzeba sprawdzić po zmianie materiału, średnicy freza, liczby ostrzy, wysięgu, oprawki, mocowania lub ścieżki. Korekty są potrzebne także wtedy, gdy pojawia się narost na ostrzu, pogarsza się chropowatość, wiór jest nierówny, hałas rośnie albo podczas obróbki występują drgania.

Przeliczanie prędkości skrawania na obroty wrzeciona

Aby przeliczyć prędkość skrawania na obroty wrzeciona, stosuje się wzór: n = (Vc·1000)/(π·D), gdzie:

• n - obroty wrzeciona w obrotach na minutę (RPM),
• Vc - prędkość skrawania w metrach na minutę (m/min),
• D - średnica narzędzia w milimetrach (mm),
• π - stała matematyczna Pi, wynosząca około 3,14159.

Wzór stosuje się przy każdej zmianie narzędzia lub materiału. Te same obroty wrzeciona dają różną prędkość skrawania dla frezów o różnych średnicach – dlatego Vc jest parametrem wyjściowym, a n wielkością wynikową. Zmiana średnicy narzędzia wymaga ponownego przeliczenia obrotów, nie przenoszenia poprzednich nastaw.

Frezowanie CNC daje powtarzalne wyniki, gdy wszystkie elementy procesu – narzędzie, parametry, ścieżka i chłodzenie – są dobrane razem, nie każdy z osobna. To właśnie spójność układu decyduje o tym, czy próba frezowania potwierdzi obliczone nastawy, czy zmusi do szukania przyczyny odchyleń od początku.

Jeżeli zamiast samodzielnego doboru parametrów potrzebujesz gotowego wykonania detali, sprawdź naszą usługę frezowania CNC we Wrocławiu. Więcej o korzyściach tej technologii opisujemy w artykule Jakie zalety ma frezowanie CNC.

Źródła

• ISO 8688-2:1989 – Tool life testing in milling – Part 2: End milling – metodyka oceny zużycia i kryterium VB dla frezów palcowych.
• ISO 8688-1:1989 – Tool life testing in milling – Part 1: Face milling – metodyka badania trwałości frezów do frezowania czołowego.
• Quintana G., Ciurana J. (2011), „Chatter in machining processes: A review”, International Journal of Machine Tools and Manufacture 51(5), 363–376 – przegląd mechanizmów powstawania i ograniczania chatteru.