Стратегии, инструменты и тактика CAM для фрезерования полостей

Фрезерование полостей, процесс удаления материала из твердого блока для создания замкнутого или частично замкнутого кармана, является фундаментальной, но сложной операцией в станках с ЧПУ. Она необходима в различных отраслях, особенно в производстве пресс-форм, аэрокосмической промышленности и общем точном машиностроении, где детали часто требуют глубоких, сложных внутренних элементов. Достижение эффективности, точности и высокого качества поверхности при фрезеровании полостей зависит от тонкого понимания стратегий, выбора подходящих инструментов и разумного использования тактики автоматизированного производства (CAM).

Стратегический подход к фрезерованию полостей

Самый важный принцип успешного фрезерования полостей — управление силами резания и удалением стружки, особенно в глубоких карманах. Многоэтапный подход с использованием нескольких инструментов часто превосходит попытку выполнить операцию одним длинным инструментом.

1. Стратегия черновой обработки: максимальное удаление материала

Основная цель этапа черновой обработки — удалить основную массу материала как можно быстрее и безопаснее, оставляя равномерный слой материала для чистовой обработки.

• Адаптивное и трохоидальное фрезерование: Современные системы CAM произвели революцию в черновой обработке с помощью траекторий, таких как адаптивное удаление материала или трохоидальное фрезерование. Эти стратегии поддерживают постоянную нагрузку на инструмент путем изменения радиальной глубины резания ($text{a}_text{e}$) при одновременном обеспечении полной осевой глубины резания ($text{a}_text{p}$). Это обеспечивает стабильную обработку, меньшее выделение тепла, снижение вибрации и значительно увеличивает срок службы инструмента, особенно при использовании инструментов с большим вылетом.

• Предварительное сверление или врезное фрезерование: Перед началом траектории черновой обработки в закрытой полости настоятельно рекомендуется создать пилотное отверстие с помощью сверла или использовать врезное фрезерование. Это обеспечивает четкую точку входа с низким усилием для концевой фрезы, предотвращая высокие ударные нагрузки, связанные с врезанием или спиральным входом в твердый материал.

• Многоэтапная длина инструмента: Для глубоких полостей следует использовать прогрессивную стратегию черновой обработки с использованием инструментов увеличивающейся длины. Начните с самого короткого и жесткого инструмента, чтобы удалить материал с верхней секции. Это максимизирует скорость удаления материала там, где инструмент наиболее устойчив. По мере углубления полости переходите к более длинным держателям и инструментам с защитой от вибрации, замедляя параметры резания ($text{a}_text{e}$ и скорость подачи), чтобы компенсировать снижение жесткости.

2. Получистовая обработка и обработка углов

После первичной черновой обработки может остаться значительное количество материала, особенно в углах, из-за радиуса черновой обработки.

• Обработка углов: Эта стратегия использует концевую фрезу меньшего диаметра для удаления материала, оставшегося после предыдущего, более крупного инструмента. Это необходимо для подготовки полости к окончательной чистовой обработке и снижения нагрузки на чистовой инструмент.

• Стратегия Z-уровня (контурные проходы): Для элементов с вертикальными или почти вертикальными стенками обычно используется стратегия Z-уровня или контурная стратегия, при которой инструмент перемещается вбок вокруг стенки на разных глубинах Z. Небольшой шаг вниз используется для управления качеством поверхности и высотой шага.

3. Стратегия чистовой обработки: достижение точности и качества поверхности

Чистовые проходы требуют минимального удаления материала, высокой точности и акцента на целостности поверхности.

• Чистовая обработка стенок: Иногда для очистки боковых стенок можно использовать пружинный проход или окончательный рез с использованием той же глубины и подачи, но без удаления материала (из-за компенсации прогиба). Для получения высококачественных поверхностей инструмент должен иметь достаточную длину канавки и жесткость, чтобы покрыть всю высоту стенки за один проход, если это возможно, или использовать очень мелкий шаг вниз.

• Чистовая обработка дна: Часто используется концевая фреза с плоским дном с очень небольшим шагом (радиальное зацепление) и высокой скоростью подачи.

• 3D чистовая обработка поверхности: Для сложных, контурных полов и стен используются 3D чистовые траектории, такие как Parallel, Scallop или Spiral, обычно с шаровыми концевыми фрезами. Система CAM рассчитывает траекторию инструмента на основе постоянной высоты гребешка (высота необработанного материала, остающегося между проходами), чтобы обеспечить равномерное качество поверхности.

Основные инструменты для фрезерования полостей

Правильный инструмент — основа эффективного фрезерования полостей. Выбор должен учитывать материал заготовки, требуемую чистоту обработки и отношение глубины к диаметру (L/D) полости.

• Концевые фрезы:

  • Твердосплавные: Стандартный выбор для прочности и долговечности.

  • Высокопроизводительная геометрия: Ищите переменные спирали и неравномерное расстояние между канавками. Эти конструкции разрушают гармонические вибрации, резко улучшая стабильность и качество поверхности, особенно в глубоких карманах.

  • Радиус угла: Инструменты с небольшим радиусом угла предпочтительнее, чем острые квадратные концевые фрезы. Радиус упрочняет режущую кромку, продлевает срок службы инструмента и обеспечивает немного лучший готовый радиус в углу кармана.

• Покрытия: Покрытие необходимо для управления теплом и трением.

  • AlTiN/TiAlN: Отлично подходит для высокотемпературной обработки сталей, нержавеющей стали и титана.

  • AlCrN: Очень прочное покрытие, подходящее для высокоскоростной обработки твердых материалов.

  • Без покрытия/ZrN: Предпочтительно для алюминия и цветных металлов для предотвращения прилипания материала (нарост кромки).

• Держатели инструмента: Качество держателя напрямую влияет на жесткость, что имеет первостепенное значение в глубоких полостях.

  • Термоусадочные или гидравлические держатели: Они обеспечивают наибольшую силу зажима и концентричность, резко уменьшая биение и вибрацию.

  • Держатели с защитой от вибрации: Специализированные держатели, часто с внутренними демпфирующими механизмами, имеют решающее значение для применений с большим вылетом, где отношение L/D велико.

Тактика CAM и управление параметрами

Система CAM — это место, где стратегия обработки преобразуется в инструкции для станка, и оптимизация ее параметров является ключом к успеху.

• Удаление стружки и охлаждающая жидкость: В глубоких полостях стружку необходимо немедленно удалять, чтобы предотвратить повторную резку, которая вызывает чрезмерный нагрев, износ инструмента и ухудшение качества поверхности.

  • Охлаждающая жидкость высокого давления через шпиндель: Это наиболее эффективный метод, поскольку он выбивает стружку из зоны резания непосредственно в точке контакта.

  • Воздушный обдув: Отличная альтернатива или дополнение, особенно при обработке таких материалов, как чугун или алюминий, где термический удар от охлаждающей жидкости вызывает беспокойство.

• Оптимальные параметры резания:

  • Черновая обработка: Сосредоточьтесь на большой $text{a}_text{p}$ (осевая глубина резания) и небольшой $text{a}_text{e}$ (радиальная глубина резания) в сочетании с высокой скоростью подачи. Это соответствует принципу «высокоскоростной обработки» с эффектами утонения стружки, обеспечивая направление усилий вдоль оси инструмента для максимальной устойчивости.

  • Чистовая обработка: Используйте легкий $text{a}_text{e}$ и $text{a}_text{p}$ и мелкий шаг/высоту гребешка для достижения требуемого качества поверхности. Отдавайте предпочтение концентричности и биению инструмента.

• Вход и выход: Программируйте плавные, касательные движения входа и выхода. Врезание непосредственно в резку вызывает высокие ударные нагрузки и потенциальную вибрацию. Спиральные рампы или плавные S-образные кривые являются предпочтительными способами входа в материал, особенно при проходах по боковым стенкам.

• Регулировка подачи и скорости: Используйте возможность системы CAM автоматически регулировать скорость подачи в узких углах. Когда инструмент входит в угол, эффективная толщина стружки резко увеличивается, вызывая скачок нагрузки. Замедление скорости подачи в этих областях предотвращает вибрацию, отклонение инструмента и преждевременный износ, обеспечивая прямолинейность и размерность стенок.

Освоение фрезерования полостей предполагает целостный подход. Объединив агрессивные стратегии черновой обработки с постоянной нагрузкой с жесткостью высокопроизводительного инструмента и точностью интеллектуальной тактики CAM, машинисты могут превратить то, что часто является сложной операцией, в рутинный, высокоэффективный процесс. Основной вывод остается прежним: управляйте силами, очищайте стружку и постоянно поддерживайте жесткость инструмента.