Příručka pro technology: Jak dosáhnout vysoké produktivity při frézování?

Zvýšení produktivity odpovídá zvýšení objemu odebraného materiálu během časové jednotky (MRR – metal removal rate – úběr materiálu v cm3.min-1). MRR je proporcionálně úměrný radiální a axiální hloubce řezu, posuvu na zub a řezné rychlosti (ae; ap; fz; vc). Pokud se jedna nebo i více z těchto hodnot zvýší, zvýší se i úběr materiálu. Jsou zde však dva faktory, které produktivitu mohou snížit: obráběcí kapacita stroje, charakterizovaná stabilitou upnutí obrobku, výkonem a krouticím momentem, konstrukční stabilitou a přesností, a náklady (cena nástrojů, strojů a skryté náklady – např. náklady v důsledku zmetkovitosti).

Optimalizační techniky založené na využití řezné rychlosti či různých hloubek řezu vyžadují vysoký řezný výkon, jelikož zvýšení těchto dvou faktorů klade na řezný výkon velké nároky. Pro frézování vysokými řeznými rychlostmi je nutný stroj s vysokou stabilitou a výkonem při vysokých otáčkách. Optimalizace prostřednictvím posuvů je poněkud zajímavější alternativou, jelikož s vyššími posuvy není nutné přímo úměrně zvýšit potřebnou řeznou kapacitu.

Vysokorychlostní frézování

Dalším hlediskem jsou náklady na operaci. Zvýšením řezných podmínek porostou náklady na nástroje z důvodu jejich kratší životnosti, přičemž častější nastavování nástrojů vede k navýšení celkového času, potažmo nákladů. Zvážením uvedených skutečností dojdeme k závěru, že optimální kombinaci řezných podmínek lze najít následovně:

1. jako první zvolit maximální hloubky řezu (produktivita a efektivita nákladů rostou současně, je však potřebný vysoký řezný výkon),
2. následně maximalizovat posuv (ten je omezen kvalitou materiálu obrobku)
3. a na závěr použít takovou řeznou rychlost, aby se vyvážila produktivita a nákladová efektivita.

Termín strategie obrábění nelze přesně vymezit a často je různě interpretován. Rozlišovány jsou dva hlavní typy strategií – geometrické a technologické. Následující příklad vysvětluje rozdíl mezi těmito strategiemi: pokud se chceme přesunout z místa A do místa B, vyvstane otázka, jakým způsobem to provedeme (jakou strategii zvolíme). Jako první musíme zvolit cestu (geometrická strategie – dráha nástroje). Jakmile si ji určíme, musíme rozhodnout o způsobu přepravy, resp. dopravního prostředku pro překonání této cesty (výběr řezného nástroje – technologická strategie) a jak jej použijeme (volba řezných podmínek – technologická strategie). Samozřejmě – všechny tyto prvky se vzájemně ovlivňují (zvolíme „dálnici“, protože geometrické řešení vylučuje „jízdu na kole“ bez ohledu na to, jak rychle dokážeme šlapat).

Vysoce výkonné frézování

Typy fréz

Úběr materiálu (pro zjednodušení uvažováno konstantní ae= 1 x Dc)

V posledních desetiletích byly představeny nejrůznější typy strategií. Příklady geometrických strategií zahrnují mezi jinými i lineární a nelineární frézování, ponorné frézování (axiální), radiální frézování, frézování šroubovou interpolací, postupné zafrézování a trochoidní frézování. HSM – vysokorychlostní frézování, HFM – frézování vysokým posuvem a HPM – vysoce výkonné frézování – to jsou příklady technologických strategií frézování.

V tomto článku jsou popsány různé technologické strategie, mezi těmi geometrickými a technologickými jsou však zřejmé spojitosti. Neměli bychom opomenout tu skutečnost, že konečný úspěch propojení obou částí strategie frézování závisí na vhodně zvolené kombinaci řezných podmínek.

Technologické strategie jsou založeny na využití kompenzačních přístupů ve frézování, kdy zatížení frézy, mechanické (řezné síly) i tepelné (teplota v řezu), musí zůstat v daném pracovním rozsahu a zatížení musí zůstávat na konstantní úrovni, aby fréza pracovala správně a efektivně. Pokud je například mechanické zatížení příliš velké, zuby se budou často lámat. V případě příliš nízké teploty v řezu může dojít ke tvorbě nárůstků a řezný materiál nebude dostatečně houževnatý, což obojí způsobuje vylamování ostří.

HSM – vysokorychlostní frézování – je technologie, kdy je větších úběrů materiálu dosaženo zvýšením řezné rychlosti. Řezná rychlost je zde použita jako kompenzační faktor (známý jako faktor řezné rychlosti) pro zejména malé radiální hloubky řezu (malý úhel záběru, a tím i nižší řezné teploty). Řeznou rychlostí lze zajistit, že teplota v řezu leží stále uvnitř správného pracovního okna. Pro vysokorychlostní frézování jsou typické dvě aplikace; velké úběry měkkých materiálů obrobku a dokončovací operace ve tvrdších obráběných materiálech.

Vysokorychlostní frézování se během uplynulých desetiletí ukázalo jako velmi spolehlivé. Přínosem je zvýšení produktivity a snížení nákladů. Ale i HSM má svá omezení. Ta jsou nejvíce zřejmá u obráběcích strojů. Stroje musejí být schopny pracovat za vysokých rychlostí a musejí mít relativně vysoký řezný výkon (aplikace v měkkých materiálech) či být dostatečně stabilní a přesné (pro dokončovací operace v tvrdých ocelích). Investice do strojového vybavení pro využití takovéto strategie je nákladná a leckdy možná i neopodstatněná.

V posledních letech se vysokorychlostní frézování přecenilo a často se zaměňuje příčina a následek. Pokud jde o řezné podmínky, podle kompenzačního přístupu pro HSM platí: pokud jsou radiální hloubky řezu nízké (úhel záběru je malý), řeznou rychlost lze zvýšit, aby nástroj pracoval efektivně. V dnešní době je však toto chybně interpretováno – za účelem zvýšení produktivity se zvyšuje řezná rychlost, ovšem bez kompenzace hloubky řezu – jak velký omyl…

V podstatě lze říci, že technologie tvrdého frézování volí stejný přístup, jako bývá použit ve vysokorychlostním frézování. Principy HSM frézování jsou zde aplikovány pro velmi tvrdé materiály obrobku. Řezná rychlost např. 350 m.min-1 v oceli o tvrdosti 52 HRc je tvrdé, nebo vysokorychlostní frézování? Typickým znakem tvrdého frézování je enormní množství tepla, které je během operace vygenerováno. Vzniklé velmi vysoké teploty musejí být kompenzovány snížením hloubky řezu.

Při frézování měkkých materiálů (jako je hliník) či v operacích s malými hloubkami řezu a malými posuvy (dokončovací frézování) nebo při obrábění tvrdých materiálů lze řeznou rychlost využít jako prostředek pro optimalizaci řezných dat za předpokladu, že radiální hloubka řezu a posuv na zub zůstanou malé. Ale jak je to u běžných frézovacích aplikací? V souladu se základním pravidlem, kdy optimální obrábění probíhá při největší možné hloubce řezu a posuvu společně s vhodnou řeznou rychlostí (náklady), je důležité nejprve zvolit velké hloubky řezu a/nebo posuvy a teprve poté se soustředit na řeznou rychlost.

HFM – frézování vysokým posuvem je strategií, kde je velkého úběru materiálu dosaženo velkými až velmi velkými posuvy na zub kombinovanými s malými axiálními hloubkami řezu a středními řeznými rychlostmi. Tato strategie frézování umožňuje neustálé pátrání po vyšší produktivitě. Frézování vysokým posuvem má řadu zajímavých výhod z hlediska úběru materiálu:

1. řezné síly a příkon jsou v porovnání s jinými strategiemi nižší;
2. směr, ve kterém řezné síly působí na nástroj, je mnohem příznivější. Nástroj je vystaven nižšímu radiálnímu zatížení, což značně omezuje riziko vzniku vibrací. Tak lze dosáhnout mnohem vyšší produktivity např. při používání štíhlých nástrojů (větší vyložení a/nebo menší průměry). Jako takové tedy frézování vysokým posuvem téměř dosahuje výhod ponorného frézování (geometrická strategie);
3. u problematických materiálů (materiály s deformačním zpevněním) je strategie vysokého posuvu velmi zajímavým technickým řešením. Ostří se neopotřebují tak rychle a životnost nástroje se prodlouží.

Při HPM – vysoce výkonném frézování – se optimalizace dosáhne nejdříve nastavením maximální axiální a radiální hloubky řezu a následně výběrem posuvů a řezných rychlostí, které minimalizují náklady na obrábění. Vysoce výkonné frézování umožňuje velké úběry materiálu při vynaložení velmi nízkých nákladů (to však závisí na zvolené řezné rychlosti). Tato strategie frézování nás vrací zpět k základnímu záměru v obrábění kovů, kterým je dosažení maximální produktivity při co nejnižších nákladech.

Ve výše zmíněných úvahách je předpokladem úspěšné optimalizační strategie volba správného nástroje s vhodnými vlastnostmi pro daný způsob frézování a jeho použití v souladu s těmito specifickými vlastnostmi.

U velkých fréz se velmi osvědčil systém výměnných břitových destiček jako nejlepšího a nejúspornějšího řešení, a to bez ohledu na zvolenou strategii. Díky maximální flexibilitě, která umožňuje libovolně kombinovat řezný materiál, řeznou geometrii i vlastní geometrii břitových destiček, lze sestavit tu nejvhodnější frézu pro každý typ operace.

V polovině 70. let se karbid začal používat i pro menší frézy. Monolitní karbidové frézy první generace nebyly v podstatě nic jiného než kopie HSS fréz. Koncepce geometrie ostří (a s tím spojené enormní výhody) v první generaci karbidových fréz neexistovaly. Monolitní karbidové frézy druhé generace byly určeny pro vysokorychlostní frézování. Spolu s růstem vysokorychlostního frézování a technologií tvrdého frézování pokračoval i vývoj monolitních karbidových fréz (i substrátů karbidu, povlakování, řezných geometrií) pro tyto specifické aplikace. Třetí generaci pak tvořily monolitní karbidové frézy pro HFM (frézování vysokým posuvem) a HPM (vysoce výkonné frézování). Strategie vysoce výkonného frézování může být úspěšná pouze v případě použití nástrojů se speciálně vyvinutými celkovými geometriemi, geometriemi ostří a karbidovými třídami. Frézy vhodné pro tento způsob frézování mají utvařeče třísek, zesílená ostří chráněná fazetkou a rohová sražení či rádiusy, jež spolu s  jedinečným tvarem drážek zajišťují bezpečné utváření a odvod třísek. Speciálně upravené substráty karbidu a povlaky tyto geometrické vlastnosti ještě doplňují. Také frézování vysokým posuvem vyžaduje frézy zvláštní konstrukce s vhodně volenými karbidovými třídami. Zde jsou typické mimo jiné ostré geometrie a specifické tvary čelní části zubů.

Hodně nejasností obklopuje koncepci obráběcích strategií. Záměrem je, aby nástroj vždy pracoval efektivně, a tím byla operace provedena co nejkvalitněji (kvalita obrobku), nejrychleji (produktivita) a s vynaložením minimálních nákladů (náklady na dokončování).

Pro HSM je příznačná volba velkých řezných rychlostí, která je kompenzačním prostředkem za měkkost materiálu obrobku (nízké řezné síly a teploty v řezu). Pro tvrdé frézování jsou voleny menší hloubky řezu a posuvy společně se středními až vysokými řeznými rychlostmi. Tím je kompenzována tvrdost obráběného materiálu (vysoké řezné síly a velmi vysoké teploty). Obě tyto strategie definují potřebnou charakteristiku strojů: buď velmi přesné a stabilní (pro tvrdé frézování), či s vysokými otáčkami a kapacitou (pro vysokorychlostní frézování). HFM a HPM jsou strategie využitelné i na konvenčních strojích. HFM využívá velmi vysoké posuvy spolu s velkými radiálními hloubkami řezu, malými axiálními hloubkami řezu a středními řeznými rychlostmi. Tento přístup kompenzuje potíže méně robustních nástrojů (štíhlé nástroje náchylné ke vzniku vibrací) a problematické vlastnosti materiálu (např. deformační zpevnění).

Podrobné informace k této problematice lze získat také v rámci vzdělávacího programu STEP (Seco Technical Educational Programme).

Patrick De Vos, MSc.

Seco Tools CZ

www.secotools.com/cz
seco.cz@secotools.com