Применение модели эквивалентной толщины стружки при фрезеровании

Толщина стружки, срезаемой режущим инструментом, — одна из важнейших характеристик процесса обработки. Толщина стружки — это толщина недеформированного материала, измеряемая под прямым углом к режущей кромке и тесно связанная с усилиями, воздействующими на инструмент и заготовку. Слишком большая толщина стружки становится причиной выкрашивания и поломки режущей кромки. Недостаточная толщина стружки приводит к быстрому износу инструмента.

Часто при назначении режимов резания мы недооцениваем важность толщины стружки, и поэтому излишне или недостаточно нагружаем режущий инструмент, что отрицательно сказывается на производительности и стойкости. Для понимания практической важности толщины стружки используются математические модели. Первыми моделями были простые уравнения для определения толщины стружки, образующейся во время непрерывной токарной обработки. Модели определения толщины стружки для прерывистого процесса фрезерования учитывают многочисленные переменные и при этом дают все более точные результаты.

 

МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ ТОЛЩИНЫ СТРУЖКИ ДЛЯ ФРЕЗЕРОВАНИЯ
 

При токарной обработке образуется стружка постоянной толщины, в то время как при фрезеровании толщина стружки постоянно меняется.

Чтобы упростить понимание толщины стружки, образующейся в процессе фрезерования, около 40 лет назад исследователи в области металлообработки разработали концепцию средней толщины стружки. Их модель математически воссоздает образец стружки постоянной средней толщины. Благодаря модели средней толщины стружки удалось лучше понять процесс фрезерования и эффективнее управлять им.

Уравнение средней толщины стружки учитывает радиальный контакт фрезы с заготовкой, подачу на зуб, геометрию режущего инструмента и угол в плане. Высокая подача на зуб дает более толстую стружку, низкая — более тонкую. Угол в плане фрезы напрямую влияет на толщину стружки. Чем меньше угол в плане, тем тоньше стружка.

Модель средней толщины стружки упрощает сложную ситуацию. Ее можно использовать для оценки стойкости инструмента с погрешностью ±15%. Такого уровня точности достаточно для расчета мощности и момента, а также для многих операций обработки. Однако если согласно техническим требованиям необходима большая точность или если выполняется фрезерование труднообрабатываемых материалов, следует применять модель, учитывающую дополнительные факторы.

 

МОДЕЛЬ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ТОЛЩИНЫ СТРУЖКИ
 

Шведский исследователь Серен Хэглунд разработал модель, которая учитывает ряд факторов процесса фрезерования. Используя для прогнозирования стойкости инструмента модель эквивалентной толщины стружки, можно обеспечить точность результатов с погрешностью ±2%. В данной модели желтая дуга соответствует меняющейся толщине фактической стружки при фрезеровании. Оранжевая шкала, обозначающая среднюю толщину стружки, представляет собой развернутую версию желтой дуги. Синяя шкала соответствует эквивалентной толщине стружки.

Модель эквивалентной толщины стружки учитывает дополнительный фактор времени, в течение которого кромка взаимодействует с материалом, — это ключевое отличие от модели средней толщины стружки. Этот фактор важен, так как время контакта режущей кромки с материалом изменяется в зависимости от отношения ширины фрезерования к диаметру. При этом толщина стружки также меняется.

Модель эквивалентной толщины стружки также принимает во внимание влияние радиуса вершины инструмента на толщину стружки, в соответствии с концепцией, изначально разработанной для токарной обработки шведским инженером Рагнаром Воксеном в начале 1930-х годов. Формула Воксена рассчитывает теоретическую толщину стружки по вершине инструмента, «распрямляя» радиус вершины и представляя площадь стружки в виде прямоугольника.

Расчет толщины стружки помогает избежать проблем, возникающих, когда стружка тоньше или толще, чем нужно. Когда радиальный контакт увеличивается, необходимо уменьшить скорость подачи, чтобы обеспечить равномерную толщину стружки. Это помогает избежать превышения максимальной толщины, а, следовательно, сокращения стойкости инструмента и поломки фрезы.

С другой стороны, особенно важно избежать образования слишком тонкой стружки при обработке материалов, склонных к поверхностному упрочнению, – таких, как суперсплавы и титан. Режущая кромка, образующая стружку тоньше минимально возможной толщины, создает область наклепа, которую будет срезать следующий зуб.

Срезание упрочненного слоя ускоряет износ инструмента и может снизить стойкость почти втрое. На многих предприятиях упрочняющиеся материалы обрабатывают так же, как закаленные стали, применяя меньшую глубину резания и невысокую скорость подачи. Фрезерование с такими параметрами дает недопустимую толщину стружки и общий неудовлетворительный результат.

 

СЛОЖНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ


Поскольку модель эквивалентной толщины стружки учитывает большое количество переменных, определяющих процесс фрезерования, для решения уравнения требуются очень сложные расчеты. Выполнять их вручную нерационально, поэтому производители и поставщики режущего инструмента, в числе которых – Seco, разработали программное обеспечение для быстрых расчетов. При использовании стандартной программы расчета толщины стружки пользователь указывает материал заготовки, метод обработки и геометрию инструмента на основании требований к обрабатываемой детали. ПО извлекает из базы данных размеры инструмента и другую информацию и добавляет к ней данные о режущей геометрии.

После ввода информации о желаемой глубине резания и подаче ПО рассчитывает режимы резания, обеспечивающие толщину стружки в пределах максимального и минимального значений. После первоначальных расчетов скорость резания регулируется для обеспечения желаемой стойкости.

Программа расчета также оценивает допустимость сочетаний режимов резания и инструмента по пяти категориям: от 0 (недопустимо) до 4 (оптимально). Скорость компьютерных расчетов позволяет обрабатывать множество переменных в считанные секунды, а результат применим в большинстве случаев.

 

ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТОВ


Автоматический расчет эквивалентной толщины стружки позволяет учитывать множество факторов и взаимосвязей при обработке. Например, рисунок 4 изображает взаимосвязь подачи на зуб (вертикальная ось) и радиального контакта (ширины фрезерования — горизонтальная ось).
Рис. 4

При использовании модели средней толщины стружки, когда ширина фрезерования составляет 50% или более от диаметра фрезы, образуется кривая, описывающая постепенное повышение скорости подачи. Однако такая тактика противоречит практическому опыту, согласно которому, если с материалом контактирует более 50% режущей части фрезы, это обуславливает уменьшение скорости подачи. С другой стороны, при таком контакте модель эквивалентной толщины стружки демонстрирует более плоскую траекторию кривой, а значит, для обеспечения одинаковой максимальной толщины стружки подача должна оставаться неизменной.

Рисунок 5 описывает взаимосвязь диаметра фрезы (горизонтальная ось) и подачи на зуб (вертикальная ось). Согласно графику, чем больше диаметр фрезы, тем она прочнее и тем выше подачу позволяет применять. Электронный расчет модели эквивалентной толщины стружки дает возможность легко оценивать эту зависимость и повышать производительность благодаря высокой подаче.
Рис. 5

Аналогичным образом, рисунок 6 демонстрирует влияние радиальной глубины резания (ширины фрезерования — горизонтальная ось) и подачи (вертикальная ось) на удаление стружки. Увеличение радиальной глубины резания и/или подачи увеличивает и количество стружки. В зависимости от диаметра и количества зубьев у определенной фрезы, график позволяет определить сочетания радиальной глубины резания и подачи, которые позволят эффективно удалять стружку.
Рис. 6

При малой радиальной глубине резания удаление стружки не вызывает проблем, и максимальная подача ограничена жесткостью станка. С другой стороны, удаление стружки становится проблемой при большей радиальной глубине резания, когда объем образующейся стружки превышает количество, которое можно безопасно удалить.

При малой радиальной глубине резания пределом является нагрузка на фрезу, тогда как при большей радиальной глубине резания предел — это количество стружки, которую можно безопасно удалить. Уравнение эквивалентной толщины стружки оценивает влияние двух ограничивающих критериев. Расчеты, необходимые для моделирования взаимодействия глубины резания и скорости подачи, а также для определения пределов удаления стружки, вручную выполнять трудно и непрактично, а программы позволяют получить мгновенный результат.

Следующий пример изображен на рисунке 7, он описывает взаимосвязь радиальной (горизонтальная ось) и осевой (вертикальная ось) глубин резания. Кривая демонстрирует нагрузку на фрезу, которая возрастает по мере увеличения осевой глубины резания. Способность фрезы отводить стружку, проиллюстрированная пошаговыми линиями, существенно снижается по мере увеличения радиальной глубины резания. Этот график – еще один пример способности модели анализировать сочетания факторов, ограничивающих работу фрезы.
Рис. 7

Наконец, на рисунке 8 мы видим, как каждое сочетание осевой глубины фрезерования (вертикальная ось) и скорости подачи (горизонтальная ось) в пределах прямоугольника или области эффективной работы влияет на эффективность режущей кромки. Однако модель также показывает, что использование фрезы при глубине резания, большей, чем диаметр (соотношение ae/Dc), приведет к образованию большего количества отводимой стружки (область эффективной работы уменьшится). И наоборот, при применении меньшей радиальной глубины резания область эффективной работы увеличивается.
Рис. 8

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 

Математические модели помогают понимать процесс обработки. Первые модели, разработанные в ограниченных условиях, несколько упрощали процесс, и их можно было использовать на производстве. Данные, полученные с помощью упрощенных моделей, не являются неправильными, они довольно точны для того времени и до сих пор могут применяться во многих ситуациях.

Требования к деталям становятся все строже и обуславливают необходимость создания моделей обработки, анализирующих соотношение многих факторов. Благодаря современным электронным расчетам можно решать уравнения почти мгновенно, что позволяет производителям оценивать пределы и возможности, обусловленные разнообразием факторов обработки. Общее качество информации позволяет регулировать операции обработки, добиваясь максимальной производительности и экономической эффективности.

 


УГОЛ В ПЛАНЕ И ТОЛЩИНА СТРУЖКИ

Угол, при котором режущая кромка инструмента входит в зону резания, играет важную роль в определении толщины стружки. Угол фрезы в плане – это угол между режущей кромкой и поверхностью заготовки.

Если угол в плане равен 90°, как у фрез для обработки, толщина стружки эквивалентна 100% подачи на зуб. Уменьшенный угол в плане позволяет задействовать большую длину кромки относительно глубины резания и дает более тонкую стружку. Соответственно, если угол режущей кромки равен 45°, толщина стружки соответствует 70% подачи на зуб.

Угол в плане влияет не только на толщину стружки, но и на усилия резания, стойкость инструмента и отвод стружки. Усилия резания при фрезеровании создаются перпендикулярно режущей кромке. Когда угол режущей кромки равен 90°, усилия резания направлены радиально и передаются на шпиндель станка.

С другой стороны, если угол режущей кромки составляет 45°, усилия резания распределяются между шпинделем и заготовкой. Меньший угол обеспечивает постепенный вход в зону резания, снижает радиальные усилия, воздействующие на режущую кромку, и не ухудшает стойкость. Меньший угол может также решить проблему образования бороздки и упростить обработку заготовок с окалиной или литейной коркой.

При небольшой глубине резания угол 45° может обес-печивать превосходное качество обработки поверхности и минимизировать образование заусенцев на выходе из зоны резания. Кроме того, уменьшенный угол приподнимает стружку над заготовкой, что позволяет избежать образования царапин. Однако большие усилия резания увеличивают давление на заготовку и могут деформировать тонкостенные заготовки, повредить нестабильную оснастку или стать причиной вибраций.

Малый угол режущей кромки уменьшает толщину стружки, при этом необходимо увеличить подачу на зуб, чтобы убедиться, что толщина снимаемой стружки достаточна. Кроме того, увеличенная скорость подачи повышает производительность.

Версия для печати
Авторы: Патрик де Вос, компания Seco Tools
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: