Strategie hrubování využívající optimalizované dráhy nástrojů

Optimalizace dráhy nástrojů s využitím systémů CAM je již nějakou dobu běžnou záležitostí, obzvláště v průmyslových odvětvích zabývajících se výrobou forem a zápustek. Ovšem až v nedávné době začali výrobci tuto schopnost využívat společně s novými obráběcími strategiemi a speciálně navrženými monolitními rotačními nástroji za účelem optimalizace hrubovacích operací.

Tyto strategie pro hrubování nebo dynamické frézování, založené na systémech CAM, využívají dodržení konstantního úhlu záběru a rovnoměrného zatížení nástroje. Ovlivněním velikosti úhlu záběru, prostřednictvím dráhy nástroje generované systémem CAM, mohou výrobci zvýšit rychlosti hrubování, efektivně řídit teplotu procesu, využívat vyšší rychlosti posuvu na zub a provádět větší hloubky řezu za účelem výrazného zkrácení celkového času obráběcích cyklů – to vše bez nadměrného zatěžování vřeten stroje.

Úhel záběru nástroje je nezávislá proměnná, která má vliv na tepelné zatížení nástroje a je klíčem k optimalizovaným hrubovacím operacím.

Maximální úhel záběru všech nástrojů je 180 stupňů, čili v zásadě jeho průměr. Při maximálním úhlu záběru je tudíž radiální hloubka řezu (nebo šířka řezu) shodná s průměrem řezného nástroje: a_e (radiální hloubka řezu) = D_c (průměr řezného nástroje).

Díky manipulaci s úhlem záběru mohou výrobci snížit množství tepla generovaného při hrubovacích operacích. Spolu se zmenšováním radiální hloubky řezu se zmenšuje úhel záběru nástroje. Menší záběr vede k menšímu tření a tudíž k menší tepelné zátěži mezi břity nástroje a obráběným materiálem. Dochází k tomu, že řezné hrany nástroje mají více času k ochlazení od chvíle, kdy nástroj opustí řez, otočí se a znovu vstoupí do záběru. Tyto menší teploty při obrábění následně vedou k vyšším řezným rychlostem a kratším časům cyklů.

Střední tloušťka třísky (hm) je závislá na zatížení nástroje a je dána kombinací posuvu na zub a úhlu záběru nástroje. Protože se tloušťka třísky při obrábění neustále mění, používá se v oboru pojem střední tloušťka třísky (hm).

Maximální 180stupňový úhel záběru bude generovat ty nejsilnější třísky uprostřed šířky nástroje. Takže menší úhel záběru, méně než 90 stupňů (je, úhel záběru), snižuje tloušťku třísky a jako kompenzaci tak umožňuje zvýšení posuvu na zub (f_z).

Vezměme si například nástroj o průměru 10 mm provádějící boční hrubování při 10mm hodnotě ae (maximální úhel záběru). Při této hodnotě ae řezný nástroj generuje svou největší střední tloušťku třísky / nejvyšší zatížení. Při prvních 90 stupních nástroj frézuje nesousledně až do dosažení maximální tloušťky třísky (fz). Poté, při druhých 90 stupních, frézuje sousledně, kde se tloušťka třísky znovu sníží na nulu. Pokud se ale hodnota ae sníží (ae < D_c) na 1 mm (10 procent), bude střední tloušťka třísky menší, což umožní rychlejší hrubování díky možnosti použití zvýšeného posuvu na zub (fz). Nástroj sice ubírá méně materiálu, ale činí tak mnohem rychlejším tempem a s nižším zatížením nástroje a vřetena stroje ve srovnání se situací, kdy jsou prováděny větší radiální záběry, ale při pomalejších posuvech. Při hrubování drážek umožňuje nižší hodnota ae použití vyšší hodnoty ap (hloubka řezu) pro ještě rychlejší úběr materiálu.

Zatímco většina výrobců řezných nástrojů nabízí produkty pro specifické materiály, ostatní, jako například společnost Seco, vyvíjí také geometrie nástrojů pro pokročilé způsoby obrábění. V případě strategií pro hrubování založených na systémech CAM tyto nástroje řeší hlavní problém s řízením utváření třísek, spolu s nezbytnými požadavky na geometrii a délku fréz.

Společnost Seco například vyvinula frézy Jabro-HPM (HPM - vysoce výkonné obrábění) určené speciálně pro hrubování při jejich maximálním úhlu záběru a při velkých hloubkách řezu v aplikacích s extrémně vysokými úběry materiálu. Tyto řezné nástroje mají speciální geometrie pro extrémně vysoký výkon ve specifických materiálech.

V zájmu pokrytí širšího rozsahu materiálů obrobků společnost Seco nedávno upravila geometrie své produktové řady fréz Jabro-Solid² 550 speciálně pro optimalizované strategie hrubování. Frézy jsou k dispozici v provedení s dvojitým jádrem, které zajišťuje mimořádnou stabilitu a menší průhyb nástroje.

V produktové řadě JS550 jsou obsaženy nástroje s větší délkou, u kterých společnost zjistila, že nejlépe fungují při hrubování nebo dynamickém frézování hlubokých dutin a 3D tvarů. Délky nástrojů jsou obvykle trojnásobkem až čtyřnásobkem průměru.

Když je udržován stabilní úhel záběru, mají tyto nástroje konzistentní a rovnoměrně distribuované opotřebení břitů a zajišťují mnohem spolehlivější životnost nástroje. Delší řezné nástroje ovšem tvoří stejně dlouhé třísky, jejichž odvod z řezných zón může být náročný.

Pro zajištění vytváření menších a lépe zpracovatelných třísek společnost Seco provedla u nástroje JS554 L (L značí dlouhou verzi) dělené ostří – miniaturní drážky na řezných hranách a reliéfu nástroje. Upravený nástroj, nyní známý jako JS554 3C (C značí dělené ostří), je vybaven děleným ostřím s rozestupy rovnajícími se 1 x D (průměr řezného nástroje). Takže 40 mm dlouhý řezný nástroj s průměrem 10 mm bude generovat třísky dlouhé maximálně 10 mm, které jsou rychle odváděny z řezné zóny a tím je eliminováno riziko pěchování třísek.

Pro optimalizované hrubovací strategie jsou také vhodné kratší nástroje standardní délky. Společnost Seco pomocí jednoho ze svých standardních nástrojů JS554 (řezná délka 2 x Dc + 2 mm) provedla hrubování kapsy v běžné oceli SMG-3 a dosáhla rovnocenných výsledků, jako kdyby použila frézu větší délky. Společnost Seco použila kratší nástroj při typickém 10procentním poměru ae: D_c, který by byl použitý s dlouhým nástrojem, ale s upraveným posuvem na zub pro dosažení stejných hodnot úběru materiálu.

Při použití malého úhlu záběru platí, že čím má nástroj více břitů, tím větší může být rychlost posuvu a tím bude vyšší produktivita. Rychlost posuvu = počet břitů nástroje x posuv na zub x rychlost otáčení vřetene. Zatímco hrubovací nástroje mají typicky nanejvýš čtyři břity, Seco právě provádí výzkum potenciálu řezných nástrojů s pěti břity.

V případě přímých drah obrábění (boční frézování) zůstává úhel záběru po nastavení neměnný. Nicméně u komplexnějších tvarů dílů, například u dílů s vnitřními i vnějšími rádiusy, vznikají nekonzistence týkající se nastaveného úhlu záběru.

Když řezný nástroj dokončí přímý řez a začne obrábět vnitřní rádius nebo roh, jeho úhel záběru se zvětší, což znamená, že se řezné parametry již nadále neshodují s aktuálním úhlem záběru. Pokud se dráhy nástrojů pro tyto situace neseřídí, výsledkem bude chvění, vibrace nebo dokonce poškození nástroje.

Současné systémy CAM nabízí strategie drah nástrojů určené speciálně pro tvary s vnitřními nebo vnějšími rádiusy, kde se vedle konvenčních drah nástrojů vyskytují měnící se úhly záběru. Tyto softwarové systémy automaticky používají různé posuvy pro řízení úhlu záběru a zajišťují konzistentní zatížení nástroje. Pro udržení úhlu záběru tyto systémy CAM využívají při vstupu do rádiusu trochoidní obrábění a peeling, a využívají je při změně směru dráhy nástroje. Dochází tak zárověň k výraznému zkrácení časů cyklů.

Při použití optimalizované dráhy nástroje pro hrubování a udržení konzistentního úhlu záběru může poloměr řezného nástroje odpovídat obráběnému vnitřnímu rádiusu bez rizika přetížení. Tato schopnost výrobcům umožňuje při hrubovacích operacích využívat větší úběry materiálu a tím snížit přídavek materiálu, který má být odebrán při dokončovacím obrábění – to vše vede ke zkrácení obráběcích cyklů.

Optimalizované hrubovací strategie se také vztahují na konkrétní materiály obrobku. Společnost Seco provedla rozsáhlé testování u ocelí, nerezových ocelí, litiny, titanu, hliníku a ocelí s tvrdostí až 48 HRc. Společnost doporučuje, aby výrobci nejdříve použili 10procentní poměr hodnoty ae vůči průměru – 5procentní pro těžko obrobitelné materiály, jako jsou titan a vysoce legované slitiny. Společnost Seco pro tyto konkrétní úhly záběru a pro mnoho dalších stanovila optimalizované podmínky rychlostí a posuvů. Výrobci mohou použít vyšší než doporučené hodnoty ae, pak je ovšem nutné snížit řeznou rychlost spolu s posuvem na zub.

S ohledem na hodnotu ap společnost Seco v současné době nabízí frézy Jabro-HPM navržené pro hodnotu ap až 2 x D pro plné drážkování v oceli (JHP951 a JHP993). Přestože je to považováno za extrémně obtížné obrábění, víceúčelový nástroj společnosti Seco JS554 3C se při použití optimalizovaného hrubování snadno vypořádá s hodnotou 4 x D.

Výrobci se stroji, na kterých není možné provádět náročné hrubovací operace, mohou navíc jednoduše snížit úhel záběru a použít dráhu pro trochoidní obrábění. Tím dojde ke zmenšení řezných sil a snížení nároků na vysoký výkon stroje, nicméně stále je dosahováno vysoké produktivity díky použití větších hloubek řezu.

Když jsou hrubovací strategie použité na těžko obrobitelné materiály, jako je nerezová ocel a titan, měla by být přiváděna chladicí kapalina na celou délku nástroje - nahoru, doprostřed i na konec. Chlazení celé řezné hrany je důležité. A při obrábění oceli a litiny by výrobci měli odstraňovat třísky stlačeným vzduchem při maximálním tlaku.

Je třeba vzít na vědomí, že výrobci nemohou hrubovací strategie založené na systémech CAM používat při programování stroje, protože programy musí být generovány externě prostřednictvím specializovaných optimalizačních programů. Výrobci sice při programování přímo na stroji mohou zadat údaje o úhlu záběru stanovené společností Seco, ale pouze pro jednoduché přímé hrubovací operace nebo pevné trochoidní cykly.

Optimalizované hrubovací strategie jsou sice ideální pro delší nástroje, ovšem společnost Seco provedla testy úhlu záběru s nástroji standardní délky. V jednom testu společnost Seco použila standardní frézu Jabro 554 při řezné rychlosti 300 m/min, 20mm hloubce řezu, 1mm hodnotě ae a 0,2mm posuvu na zub a dosáhla času obráběcího cyklu 4 minuty a 26 sekund. Technici poté hodnotu ae změnili na 2 mm a snížili posuv na zub na 0,1 mm. Ačkoliv rychlost úběru materiálu zůstala nezměněna, čas obráběcího cyklu se snížil na 3 minuty a 11 sekund. Ke kratšímu času cyklu došlo, protože vyšší hodnota ae nezvýšila rychlost obrábění, ale snížila počet potřebných drah. Hrubování dílu následně trvalo kratší dobu.

Pro jednoho ze svých zákazníků z leteckého průmyslu společnost Seco demonstrovala přínosy hrubovacích strategií na aktuálně obráběných součástech s upnutím nástroje do vřetene typu BT40. Zákazník tyto díly obvykle hrubuje s využitím konvenčních drah nástrojů a standardních obráběcích parametrů, a hrubování jednoho dílu trvá jednu hodinu.

Společnost Seco použila nástroj s tím největším použitelným průměrem – dlouhá fréza JS554 3C o průměru 25 mm s dělením třísek. Společně s optimalizovanými hrubovacími strategiemi a drahami nástrojů tyto nástroje snížily původní čas hrubovacího cyklu na úžasných 8 minut. Společnost Seco navíc odhaduje, že pokud by byla použita výkonnější fréza, bylo by možné dosáhnout dalších časových úspor (s největší pravděpodobností by hrubování trvalo 6 minut).

Další zákazník společnosti Seco se seznámil s přínosy optimalizovaných hrubovacích strategií a drah nástrojů při obrábění automobilové součásti. Nejenže výrobce zkrátil celkový čas cyklu na jeden díl z 8,5 minut na pouhou 1,1 minuty, ale rovněž zvýšil životnost nástroje z 80 dílů na 250 dílů na jeden nástroj.

Pro zákazníka společnosti Seco, který provádí hrubování licí formy pro motocyklovou součást, zkrátilo optimalizované hrubování a využití optimalizovaných drah nástrojů obráběcí cyklus z 900 minut na 400 minut. Zákazník pro první a druhé hrubovací operace používal frézu pro obrábění s vysokým posuvem s vyměnitelnými břitovými destičkami, ale poté pro první hrubovací operace přešel na nástroj JS554 3C s průměrem 25 mm a pro druhé hrubovací operace ponechal vysoký posuv.

Úhel záběru a střední tloušťka třísky jsou klíčem k optimalizovaným hrubovacím operacím. Prostřednictvím speciálních softwarových systémů CAM určených konkrétně pro optimalizaci dráhy nástroje a dynamické obráběcí metody mohou současní výrobci řídit úhel záběru nástroje a zachovat konzistentní zatížení. Zároveň při tom efektivně řídí teplotu procesu, používají vyšší řezné rychlosti a posuvy na zub a provádí větší hloubky řezu pro výrazně kratší celkové časy cyklů obrábění dílů.

Výrobci však musí mít na paměti, že optimalizované hrubování vyžaduje ty správné systémy CAM pro externí programování. A zatímco většina výrobců řezných nástrojů nabízí produkty pro konkrétní materiály, několik z nich vyvíjí geometrie nástrojů pro konkrétní pokročilé obráběcí cykly a požadované dráhy nástrojů. Se správným řezným nástrojem a těmito dynamickými cykly mohou výrobci ve srovnání s tradičními obráběcími metodami zvýšit rychlosti úběru materiálu až o 500 procent.

Autor:
Teun van Asten MSc., Engineer Marketing Services Solid Milling, Seco Tools

Zdroj: MEPAX

Radakčně upraveno