W artykule wyjaśniono, w jaki sposób dobór narzędzi i parametrów skrawania wpływa na wytwarzanie i pochłanianie i rozdzielanie ciepła w warunkach przerywanego skrawania zachodzącego w procesie frezowania.

Wyzwania termiczne

Podczas skrawania metalu wytwarzane są temperatury aż do 800-900 stopni Celsjusza w strefie, w której krawędź skrawająca odkształca i ścina materiał elementu obrabianego. W ciągłych operacjach toczenia ciepło generowane jest w ciągły, liniowy sposób, natomiast ostrza frezu okresowo wchodzą w materiał elementu obrabianego i wychodzą z niego, co sprawia, że temperatura krawędzi skrawających naprzemiennie rośnie i maleje. Elementy systemu obróbki skrawaniem pochłaniają ciepło wytwarzane podczas skrawania metalu. Zazwyczaj 10 procent ciepła przepływa do elementu obrabianego, 80 procent do wiórów i 10 procent do narzędzia. Najlepiej jest, gdy wióry odprowadzają większość ciepła, ponieważ wysokie temperatury skracają trwałość narzędzia i mogą uszkodzić lub zniszczyć obrabianą część.

Na rozdział ciepła znaczny wpływ ma różna przewodność cieplna materiałów elementów obrabianych, a także inne czynniki eksploatacyjne. Na przykład przewodność cieplna superstopów jest słaba. Podczas obróbki skrawaniem elementów o słabej przewodności cieplnej zwiększona ilość ciepła przepływa do narzędzia. W dodatku twardsze materiały wytwarzają w trakcie skrawania więcej ciepła niż miękkie. I, zazwyczaj, wyższe prędkości skrawania zwiększają wytwarzanie ciepła, podczas gdy wyższe prędkości posuwu zwiększają obszar krawędzi skrawającej narażony na działanie wyższych temperatur.

Kąt opasania frezu

Przerywany charakter procesu frezowania powoduje, że ostrza skrawające generują ciepło tylko przez część całkowitego czasu obróbki. Wyrażany w procentach czas, w którym ostrza skrawają materiał, zależy od kąta opasania frezu, na który wpływają: promieniowa głębokość skrawania i średnica frezu.

W różnych metodach frezowania kąt opasania frezu jest różny. Przykładowo podczas frezowania rowków materiał otacza połowę frezu i wyrażany w procentach kąt opasania wynosi 100 procent średnicy narzędzia. Krawędzie skrawające stykają się z materiałem przez połowę czasu obróbki i temperatura szybko wzrasta. Jest to sytuacja odmienna od frezowania bocznego, w którym względnie mały procent obwodu frezu styka się w danej chwili z elementem obrabianym i krawędzie skrawające mają więcej czasu na rozproszenie ciepła w powietrzu.

Nadmierny wzrost temperatury narzędzia powoduje jego przyspieszone zużycie się lub odkształcenie i w rezultacie skrócenie jego trwałości. Odwrotna sytuacja występuje w przypadku wielu materiałów narzędziowych, które muszą być stosowane w temperaturach przekraczających pewien minimalny poziom krytyczny, aby mogły osiągać pełną wydajność.
Węglikowe narzędzia skrawające są zbudowane ze sproszkowanego metalu, który jest twardy, ale kruchy. Temperatury wyższe od pewnego minimalnego poziomu zwiększają ciągliwość materiałów utworzonych z proszków metali i zmniejszają ich skłonność do pękania. Gdy temperatury skrawania są jednak zbyt niskie, narzędzie pozostaje kruche i w rezultacie pęka, wykrusza się i na jego ostrzu powstaje narost. Celem jest utrzymywanie idealnej strefy temperatur skrawania.

Grubość wiórów i kwestie termiczne

W poprzednim artykule z tej serii sprawdzano wpływ promieniowej głębokości skrawania, kąta przystawienia krawędzi skrawającej, prędkości posuwu i grubości wióra w powstawanie obciążeń mechanicznych podczas frezowania. Te same czynniki obróbkowe, uzupełnione o prędkość skrawania, wpływają również na obciążenia cieplne podczas frezowania.

Grubość wiórów wpływa na warunki cieplne i trwałość narzędzia w obu skrajnych sytuacjach. Jeśli wióry są zbyt grube, wynikowe duże obciążenia mogą wytwarzać nadmierną ilość ciepła i powodować wykruszanie się lub pękanie krawędzi skrawających, a jeśli są zbyt cienkie, w skrawanie zaangażowana jest mniejsza część krawędzi skrawającej i większe tarcie oraz wyższa temperatura skutkują szybkim zużyciem.

Grubość wiórów wytwarzanych podczas frezowania stale się zmienia na drodze od wejścia do wyjścia poszczególnych krawędzi skrawających z elementu obrabianego. Z tego powodu dostawcy narzędzi wykorzystują pojęcie „średniej grubości wióra” do obliczania prędkości posuwu frezu, przy których będą utrzymywane najwydajniejsze grubości.

Wyznaczenie prawidłowej prędkości posuwu wymaga znajomości pewnych wielkości, w tym: kąta opasania frezu (lub promieniowej głębokości skrawania) i kąta przystawienia krawędzi skrawającej. Im większy jest kąt opasania, tym mniejsza prędkość posuwu jest wymagana do uzyskania żądanej średniej grubości wióra.

Analogicznie, aby uzyskać tę samą grubość wióra przy mniejszym kącie opasania frezu, prędkość posuwu musi być większa. Na wymagany posuw wpływa także kąt przystawienia krawędzi skrawającej frezu. Wiór jest najgrubszy przy kącie przystawienia krawędzi skrawającej równym 90 stopni, więc mniejszy kąt przystawienia krawędzi skrawającej wymaga większej prędkości posuwu do uzyskania tej samej średniej grubości wióra.

Aby utrzymywać takie same wartości grubości wióra i temperatur w strefie skrawania jak wartości uzyskiwane dla frezu pracującego pełną szerokością, dostawcy narzędzi opracowali współczynniki kompensacyjne, które powodują zwiększanie prędkości skrawania w miarę zmniejszania się wartości procentowej kąta opasania frezu.

Jak pokazano na ilustracji, gdy współczynnik prędkości dla frezu pracującego pełną szerokością (100 procent szerokości średnicy) jest równy 1,0, współczynnik kompensacyjny prędkości dla frezu z 90-stopniowym kątem przystawienia krawędzi skrawającej, i z szerokością skrawania wynoszącą 20 procent średnicy, jest równy 1,35. Dlatego, jeśli prędkość skrawania dla frezu pracującego pełną szerokością wynosi 100 m/min, prędkość skrawania wymagana do utrzymywania optymalnej grubości wióra dla frezu o szerokości skrawania równej tylko jednej piątej jego średnicy wynosi 135 m/min.

Z termicznego punktu widzenia, gdy kąt opasania jest mały, czas ostrza w materiale może być niewystarczający do wytworzenia minimalnej temperatury potrzebnej do zmaksymalizowania trwałości ostrza. Ponieważ zwiększenie prędkości skrawania powoduje zazwyczaj wytwarzanie większej ilości ciepła, powiązanie małego kąta opasania z wyższą prędkością skrawania może pomóc zwiększyć temperaturę skrawania do preferowanego poziomu. Wyższe prędkości skrawania skracają również czas kontaktu krawędzi skrawającej z wiórem, co z kolei zmniejsza ilość ciepła przepływającego do narzędzia. Ogólnie, wyższe prędkości skracają także czas obróbki i zwiększają produktywność. Z drugiej strony niższe prędkości skrawania powodują zmniejszenie temperatur obróbki. Gdy ciepło wytwarzane podczas wykonywania operacji jest zbyt duże, ograniczenie prędkości skrawania może obniżyć temperatury do dopuszczalnego poziomu.

Geometria krawędzi skrawającej

Geometria frezu i jego ostrzy wpływa na rozkład obciążeń cieplnych. Podstawowa geometria frezu decyduje o sposobie jego ustawienia względem elementu obrabianego. Frezy z ostrzami o dodatnim kącie natarcia (górne części ostrzy skrawających są odchylone do tyłu od materiału elementu obrabianego) wytwarzają mniejsze siły skrawania i mniejszą ilość ciepła oraz umożliwiają skrawanie z wyższymi prędkościami. Jednak narzędzie z ostrzami o dodatnim kącie natarcia jest słabsze niż narzędzie o ujemnym kącie natarcia, co oznacza, że twardość materiału elementu obrabianego może wymuszać używanie frezów wyposażonych w ostrza o ujemnym kącie natarcia, które wytwarzają większe siły i wyższe temperatury skrawania.

Geometria samych krawędzi skrawających inicjuje i kontroluje proces skrawania oraz występujące w nim siły i w ten sposób wpływa na wytwarzanie ciepła. Krawędź narzędzia stykająca się z elementem obrabianym może być fazowana, zaokrąglona lub ostra. Fazowane i zaokrąglone krawędzie są mocniejsze, ale znowu wytwarzają większe siły skrawania i więcej ciepła. Ostre krawędzie, choć nie są aż tak mocne, powodują zmniejszenie sił i temperatur skrawania.

Strefa T za krawędzią skrawającą prowadzi wiór i może być dodatnia lub ujemna, przy czym zalety i wady obu wariantów są takie same jak poprzednio: dodatnia strefa obniża temperatury robocze, a ujemna wzmacnia konstrukcję, ale wytwarza więcej ciepła.

Ponieważ w przypadku frezowania proces skrawania jest przerywany, elementy frezów kontrolujące wióry zazwyczaj nie są tak ważne jak w przypadku toczenia. Jednak, w zależności od materiału elementu obrabianego i uczestniczącego w skrawaniu kąt opasania frezu, energia generowana w czasie tworzenia i prowadzenia wiórów może być znaczna. Zwarte lub twardo łamiące geometrie kontroli wiórów natychmiast zwijają wióry i wytwarzają większe siły skrawania oraz więcej ciepła. Bardziej otwarte geometrie kontroli wiórów wymagają mniejszych sił skrawania oraz wytwarzają mniej ciepła, ale mogą być nieodpowiednie w przypadku niektórych kombinacji materiału elementu obrabianego i parametrów skrawania.

Kwestie związane z chłodzeniem

Manipulowanie stosowaniem chłodzenia jest kolejnym sposobem zarządzania temperaturami wytwarzanymi podczas operacji skrawania metali. Nadmierne temperatury powodują gwałtowne zużycie lub deformację krawędzi skrawającej, więc ciepło musi zostać jak najszybciej odprowadzone.

Aby skutecznie obniżać temperaturę, chłodzenie musi być skierowane na źródło ciepła. Jednak wprowadzanie chłodziwa do wysokotemperaturowej strefy skrawania, w której ciśnienie pomiędzy wiórem a krawędzią skrawającą wynosi około 20 000 barów, jest niezmiernie trudne, jeśli nie niemożliwe. Ponadto w tak ekstremalnym środowisku chłodziwo momentalnie paruje. W takiej sytuacji chłodziwo może nie być całkowicie skuteczne w usuwaniu ciepła, ale w pewnym stopniu może pomagać.

Kwestia stopnia efektywności chłodzenia strumieniem chłodziwa jest niejasna; skuteczność chłodziwa jest rzeczą samą w sobie. Jest ona jak religia: wierzy się w nią lub nie. Na ogół, jeśli przewidywane jest nadmierne wytwarzanie ciepła, można zastosować chłodziwo. Na przykład w przypadku frezowania rowków używanie chłodziwa zazwyczaj nie jest szkodliwe. Może pomóc, ale w jakim stopniu, jest tematem do dyskusji. Jednak w przypadku frezowania bocznego, w którym temperatury skrawania mogą utrzymywać się na niskim poziomie, prawdopodobnie najlepiej jest nie stosować chłodziwa.

Wnioski

Występujące w operacjach skrawania metali liczne czynniki tworzące wspólnie obciążenia nie działają oddzielnie, lecz wpływają na siebie wzajemnie przez cały czas trwania operacji obróbki skrawaniem. W tym artykule omówiono kwestie termiczne dotyczące operacji frezowania i zależności wiążące je z czynnikami mechanicznymi. Znajomość poszczególnych elementów składających się na obciążenia występujące podczas skrawania metali oraz ogólnych rezultatów ich wzajemnego oddziaływania pomoże producentom optymalizować procesy obróbki skrawaniem i maksymalizować produktywność oraz dochodowość.

Korzyści płynące z kompensacji

Obliczone dla operacji frezowania współczynniki kompensacyjne umożliwiają modyfikowanie parametrów skrawania w zależności od kąta opasania frezu i utrzymywanie w ten sposób pożądanych temperatur procesu. W zbyt niskich temperaturach materiał narzędziowy nie może pracować z maksymalną ciągliwością i mogą się tworzyć narosty na ostrzu — są to warunki prowadzące do pękania lub wykruszania się krawędzi skrawających. Zbyt wysokie temperatury powodują szybkie zużycie krawędzi lub odkształcenie narzędzia. Kompensacja realizowana poprzez dostosowanie parametrów równoważy obciążenia cieplne i mechaniczne w celu zoptymalizowania trwałości narzędzia i produktywności.

Stosowanie współczynników kompensacyjnych ułatwia także stosowanie zaawansowanych strategii frezowania. Na przykład w przypadku korzystania z metod obróbki z dużymi prędkościami (HSM), która jest realizowana z małymi promieniowymi i osiowymi głębokościami skrawania, poradniki stosowania narzędzi wydawane przez ich dostawców zalecają podwyższone prędkości skrawania. Bez wyższych, wytwarzających ciepło prędkości mały styk krawędzi skrawającej występujący w obróbce HSM może nie wytworzyć wystarczająco wysokich temperatur do uzyskania optymalnej wydajności narzędzia. Razem wziąwszy, parametry skrawania dostosowane na potrzeby obróbki HSM znacznie zwiększają objętościową wydajność skrawania.

Narzędzia skrawające wybierane do zastosowań HSM powinny mieć ostre krawędzie skrawające i być zbudowane z twardych materiałów skrawających o dużej odporności na ścieranie. Skuteczne usuwanie wiórów jest decydujące, zwłaszcza w przypadku miększych materiałów, takich jak aluminium; zalecane są narzędzia z dużymi spodami rowków wiórowych lub otwartymi rowkami wiórowymi. Ważne jest, aby narzędzia obróbkowe używane podczas obróbki HSM mogły pracować z wystarczająco wysokimi prędkościami do osiągnięcia specyfikacji kompensacyjnych.

Strategie frezowania twardych materiałów również korzystają z dostosowywania parametrów równoważącego obciążenia cieplne i mechaniczne. Ponieważ podczas frezowania twardych materiałów wytwarzana jest duża ilość ciepła, zalecane może być zmniejszenie głębokości skrawania. Pod warunkiem, że głębokość skrawania i posuw pozostaną małe, można korzystać z dostosowywania prędkości skrawania jako sposobu optymalizacji parametrów skrawania.

Obrabiarki używane do frezowania twardych materiałów muszą być wystarczająco sztywne i posiadać wystarczającą zdolność tłumienia wibracji do przeprowadzania dokładnej obróbki skrawaniem w warunkach dużych obciążeń występujących podczas skrawania. Sztywne systemy mocowania narzędzi zapewniają dodatkową wytrzymałość i odporność na wibracje i jeśli to możliwe, należy unikać długich wystawień. Krótkie narzędzia skrawające wyposażone w wiele rowków wiórowych również przyczyniają się do stabilności procesu. Ujemny kąt natarcia i promieniowe szlifowanie krawędzi przyczyniają się do wzmocnienia krawędzi skrawających.

Strategie frezowania z dużymi posuwami (HFM) charakteryzują się dużym posuwem na ząb skrawający zrównoważonym małymi głębokościami skrawania i umiarkowanymi prędkościami skrawania. Metoda ta zapewnia wysoką objętościową wydajność skrawania przy mniejszych siłach skrawania i niższym poborze mocy niż w przypadku innych strategii. Obciążenia zginające oddziałujące na narzędzie są mniejsze, co zmniejsza niebezpieczeństwo powstawania wibracji i umożliwia używanie dłuższych, mniej sztywnych narzędzi. Tutaj znowu, strategie te najlepiej jest realizować na sztywnych obrabiarkach o wystarczającej prędkości i mocy. Należy tak dobrać kąt przystawienia krawędzi skrawającej narzędzia, aby skierować siłę skrawania osiowo w stronę wrzeciona maszyny.

W obróbce z dużą wydajnością (HPM) maksymalizuje się najpierw głębokości skrawania: osiową i promieniową, a następnie dobiera się posuwy i prędkości skrawania, aby zminimalizować zużycie narzędzi. Metoda ta charakteryzuje się dużą objętościową wydajnością skrawania przy najniższym koszcie. Metoda HPM wymaga specjalnie zaprojektowanych elementów kształtujących wióry, wzmocnionych krawędzi skrawających i rowków wiórowych skutecznie odprowadzających wióry. Metoda HPM dobrze się nadaje do usuwania dużych ilości materiału i do obróbki trudnoskrawalnych materiałów.

Zwykłe modyfikacje prędkości skrawania czy innych parametrów pomagają kontrolować grubość wiórów, a tym samym obciążenia cieplne w prostych operacjach frezowania. Jednak manipulowanie parametrami w celu dostosowania ich do zmieniających się warunków skrawania występujących podczas frezowania skomplikowanych kształtów jest trudne. Aby uzyskiwać maksymalną produktywność, zaawansowane oprogramowanie CAM w połączeniu z mocnym systemem CNC posiadającym możliwości antycypowania i szybkiego przetwarzania dużych bloków poleceń pozwala stosować zaawansowane strategie frezowania, w tym frezowanie trochoidalne i frezowanie warstwowe naroży.

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