Чистота поверхности при фрезерных операциях с ЧПУ
1. Типичная достижимая шероховатость поверхности
Фрезерование с ЧПУ позволяет получить различную поверхность в зависимости от стратегии оснастки, динамики станка и свойств материала. При черновом фрезеровании для удаления материала обычно достигается шероховатость поверхности от 3,2 до 12,5 микрометров Ra, характеризующаяся заметными следами инструмента и зубчатыми краями из-за больших шагов. Полу-чистовое фрезерование с умеренными параметрами дает Ra от 1,6 до 3,2 микрометра, подходящее для не-критических структурных особенностей. Чистовое фрезерование с использованием мелких шагов, высоких скоростей шпинделя и острого инструмента достигает Ra от 0,8 до 1,6 микрометра, что достаточно для сборок общей точности. Чистовое фрезерование с оптимизированной-стратегией высокоскоростной обработки позволяет достичь Ra от 0,4 до 0,8 микрометра, что подходит для видимых косметических поверхностей и средней-точности посадки. Высокоточное фрезерование-с использованием жестких станков, сбалансированного инструмента и микро-шаговых подходов может достигать Ra от 0,2 до 0,4 микрометра. Сверхточное фрезерование-с использованием специализированных шпинделей, виброизоляции и инструментов из моно-алмаза или полированного твердого сплава позволяет получить зеркальные-поверхности с Ra менее 0,1 микрометра, а в исключительных случаях при микрообработке - до 0,05 микрометра.
2. Теоретическая основа формирования фрезерованной поверхности.
В отличие от токарной обработки, при которой одно-инструмент создает непрерывные винтовые профили поверхности, при фрезеровании используются много-резцы, которые создают прерывистый, циклоидальный рисунок поверхности. Теоретическая высота от пика-до-впадины при периферийном фрезеровании зависит от диаметра фрезы, количества канавок, подачи на зуб и радиального зацепления. При шаровом-концевом фрезеровании трехмерных- поверхностей высота выступа между соседними проходами соответствует геометрическим соотношениям, включающим радиус инструмента и расстояние шага. Уменьшение шага с 0,5 мм до 0,1 мм обычно уменьшает теоретическую высоту выступа в пять раз, хотя фактическое улучшение уменьшается из-за динамики станка и ограничений отклонения инструмента.
Прерывистый характер фрезерования приводит к появлению периодических ударных сил, которые вызывают вибрации конструкции, что делает достижимую чистовую обработку более чувствительной к динамике системы, чем при непрерывном резании. Каждый вход в канавку создает импульс переходной силы, который может вызвать вибрацию, если частоты совпадают с собственными структурными модами.
3. Влияние критических параметров на качество фрезерованной поверхности.
Подача на зуб является основным параметром, влияющим на текстуру поверхности. Более низкие подачи уменьшают толщину стружки и теоретическую высоту гребешка, улучшая качество обработки за счет увеличения времени цикла. Однако слишком малая подача вызывает трение, а не сдвиг, выделение тепла и деформационное-упрочнение без пропорционального улучшения качества отделки. Оптимальные подачи для чистовой обработки обычно составляют от 0,05 до 0,15 мм на зуб для стали и от 0,1 до 0,3 мм на зуб для алюминия, при чистовой чистовой обработке менее 0,05 мм на зуб.
Скорость резания влияет на качество обработки из-за-поведения кромки, прогрессирования износа инструмента и термических эффектов. Более высокие скорости обычно уменьшают наросты-на кромке алюминия и меди, улучшая блеск поверхности. В сталях умеренные скорости обеспечивают баланс-избегания кромок и чрезмерного нагрева, который ускоряет кратерный износ. Чрезмерные скорости при обработке любого материала вызывают вибрацию и термическую деформацию, которые ухудшают однородность отделки.
Радиальное зацепление или шаг критически определяет формирование поверхности при операциях профилирования и обработки карманов. Большие шаги, составляющие от 50 до 80 процентов диаметра фрезы, максимизируют съем материала, но создают заметные гребешки. При чистовой отделке используется шаг от 5 до 15 процентов, чтобы минимизировать высоту выступа и волнистость поверхности. Адаптивные стратегии очистки поддерживают постоянные углы зацепления, предотвращая скачки усилий, вызывающие вибрацию и изменения размеров.
Влияние осевой глубины резания заканчивается на отклонение системы и склонность к вибрации. Глубокие осевые зацепления увеличивают эффект вылета инструмента и восприимчивость к вибрации. Для чистовой обработки осевая глубина должна быть ограничена величиной, равной одному-двум диаметрам инструмента для концевых фрез, а для операций с большим-вылетом - еще меньшей глубиной.
4. Геометрия инструмента и выбор материала
Геометрия концевой фрезы существенно влияет на качество фрезеруемой поверхности. Угол спирали влияет на направление силы резания и эвакуацию стружки. Большие углы спирали, составляющие 45 градусов или более, создают направленные вверх силы резания, которые повышают стабильность при обработке тонких-стенок и уменьшают образование заусенцев. Малый угол спирали, составляющий 30 градусов, обеспечивает большую прочность кромки при тяжелой черновой обработке, но обеспечивает более грубую чистовую обработку. Конструкция с изменяемой спиралью и переменным шагом устраняет регенеративную вибрацию, предотвращая постоянство фазовых соотношений между последовательными входами канавок, обеспечивая более стабильную глубину и улучшенную текстуру поверхности.
Угловой радиус и геометрия-сферического конца определяют формирование поверхности при трех- и пяти-осном профилировании. Концевые фрезы с острыми углами оставляют четкие следы от инструмента на переходах. Угловые радиусы от 0,5 до 2,0 мм укрепляют инструмент и уменьшают концентрацию напряжений, сохраняя при этом геометрическую четкость. Шаровые-концевые фрезы с радиусами, соответствующими кривизне поверхности, минимизируют высоту выступа при сложном профилировании.
Выбор материала инструмента и покрытия обеспечивает баланс между остротой кромки и износостойкостью. Микро-твердый сплав без покрытия обеспечивает максимальную остроту кромок при обработке алюминия и цветных-железных металлов. Покрытия из нитрида титана и алюминия продлевают срок службы инструмента при обработке сталей и жаропрочных-сплавов, но могут немного увеличить радиус кромки. Алмазные покрытия подходят для абразивных материалов, таких как графит и алюминий с высоким-кремнием. Инструменты из поликристаллического алмаза и кубического нитрида бора обеспечивают сверх-точную чистовую обработку цветных-черных металлов и закаленных материалов соответственно.
Поддержание состояния инструмента имеет важное значение для обеспечения стабильного результата. Изношенные инструменты приводят к скруглению кромок, износу задней поверхности и выкрашиванию, что увеличивает силу резания и приводит к образованию потертостей на поверхности. Регулярные проверки и замены на основе совокупного удаления материала или контроля ширины площадки износа сохраняют качество отделки.
5. Динамика и устойчивость машины.
Жесткость станка существенно ограничивает достижимую чистоту фрезерования. Состояние подшипников шпинделя, жесткость привода оси и структурная целостность рамы определяют устойчивость системы к вибрации. Чрезмерное биение шпинделя напрямую приводит к изменению профиля поверхности, при этом каждая канавка режет по несколько разным радиусам. Люфт оси и несоответствие сервоприводов создают сбои в секторах и дефекты поверхности при изменении направления.
Вибрация представляет собой основное динамическое ограничение качества фрезерованной поверхности. Самовозбуждающаяся-вибрация, возникающая в результате регенеративных эффектов, создает регулярные волнистые узоры, которые разрушают прецизионные поверхности. Стратегии предотвращения вибраций включают выбор стабильных диапазонов скоростей с помощью лепестковых диаграмм, использование инструментов с переменным шагом для нарушения регенеративной обратной связи, увеличение жесткости системы за счет более коротких инструментов или улучшенного крепления заготовки, а также применение настроенных демпферов массы или активного контроля вибрации для критически важных применений.
Термическая стабильность влияет на качество отделки из-за смещения размеров во время длительных операций. Термический рост шпинделя смещает положение инструмента, создавая конические стенки или изменения размеров. Протоколы прогрева машины-, системы охлаждения шпинделей и условия с контролируемой температурой-сводят к минимуму тепловые эффекты и обеспечивают точную финишную обработку.
6. Рекомендации по выбору материала заготовки
Свойства материала устанавливают фундаментальные пределы чистоты фрезерования. Алюминиевые сплавы легко обрабатываются с превосходным поверхностным блеском, обычно достигая Ra от 0,4 до 0,8 микрометра при чистовых проходах и ниже 0,2 микрометра при оптимизированных параметрах. Литой алюминий с высоким содержанием кремния обладает абразивными свойствами, которые ускоряют износ инструмента и ограничивают чистовую обработку. Медь и латунь обеспечивают исключительную обрабатываемость и позволяют добиться зеркальной поверхности с помощью алмазных инструментов.
Стали демонстрируют большие различия в реакции фрезерования. Низко-углеродистые стали имеют тенденцию к образованию наростов-на умеренных скоростях, что требует повышенных параметров резания или улучшенной смазки. Обработка средне-углеродистых и легированных сталей для чистовой обработки твердосплавными инструментами с покрытием. Закаленные стали с твердостью выше 45 HRC требуют пониженных скоростей, специальных покрытий или инструментов из кубического нитрида бора для достижения приемлемой текстуры поверхности.
Нержавеющие стали, особенно аустенитные марки,-быстро затвердевают и создают высокие температуры резания. Для чистовой отделки с Ra ниже 1,0 микрометра требуются острые инструменты с положительным-передним углом, постоянные параметры, чтобы избежать-наклеенных слоев, а также часто криогенная или-смазочно-охлаждающая жидкость под высоким-давлением для управления тепловыми эффектами.
Титановые сплавы представляют собой серьезные проблемы при фрезеровании из-за плохой теплопроводности, химической активности и низкого модуля упругости. Тепло резки концентрируется на кромке инструмента, ускоряя диффузионный износ. Шероховатость поверхности обычно варьируется от 1,6 до 3,2 микрометра Ra при традиционных подходах, а при специализированных стратегиях достигает 0,8 микрометра.
7. Стратегия траектории инструмента и программирование
Геометрия траектории инструмента существенно влияет на качество поверхности, помимо простого выбора параметров. Традиционное растровое фрезерование с двунаправленными проходами создает направленный рисунок поверхности и может привести к появлению меток в точках поворота. Траектории инструмента с постоянным контактом, такие как трохоидальное фрезерование, адаптивная зачистка и высокоэффективное фрезерование, поддерживают стабильные условия резания, улучшая как текстуру поверхности, так и срок службы инструмента.
Для трехмерных-поверхностей направление шага относительно кривизны поверхности влияет на геометрию выступа. Обработка вдоль главных направлений кривизны сводит к минимуму ошибку геометрической аппроксимации. Одновременное пятиосевое фрезерование-ориентирует инструмент перпендикулярно поверхности, обеспечивая стабильное зацепление и позволяя использовать шаровые-концевые радиусы большего радиуса для уменьшения высоты заострения.
Стратегии входа и выхода предотвращают поверхностные дефекты. Наклонные или винтовые входы позволяют избежать следов погружения. Плавные дуги входа-входа и выхода-устраняют линии застоя на границах разреза. Поддержание постоянной скорости подачи при прохождении углов предотвращает появление следов ускорения-замедления из-за ограничений реакции сервопривода.
8. СОЖ и удаление стружки
Эффективная эвакуация стружки предотвращает повторную резку, при которой застрявшая стружка -обрабатывается повторно, что приводит к чрезмерному нагреву и непредсказуемому повреждению поверхности. СОЖ под высоким-давлением от 70 до 150 бар выбивает стружку из карманов и глубоких элементов. Подача СОЖ через-шпиндель обеспечивает подачу СОЖ к режущей кромке даже в закрытых геометрических формах. Для алюминия может быть предпочтительнее продувка воздухом или смазка минимальным количеством смазки, чтобы предотвратить термический удар и образование пятен от остатков охлаждающей жидкости.
Контроль температуры охлаждающей жидкости поддерживает термическую стабильность. Температура охлаждающей жидкости должна поддерживаться на уровне 20 градусов Цельсия плюс-минус 2 градуса, чтобы избежать перепада расширения. Чрезмерно холодная СОЖ вызывает сжатие заготовки во время обработки и расширение после измерения, создавая очевидные погрешности размеров.
9. Специализированные процессы фрезерования для улучшения качества отделки.
При высокоскоростной-обработке используется скорость шпинделя от 20 000 до 60 000 оборотов в минуту или выше с соответствующим увеличением скорости подачи. Уменьшенная нагрузка стружки на зуб и увеличенная частота резания обеспечивают более тонкую текстуру поверхности и позволяют обрабатывать тонкие детали с минимальным прогибом. Микро-фрезерование с использованием инструментов диаметром менее 0,5 мм обеспечивает прецизионные характеристики и чистовую обработку миниатюрных компонентов, хотя биение шпинделя и поломка инструмента представляют собой серьезные проблемы.
Твердые фрезерные станки закаляют стали до твердости 65 HRC с использованием инструментов из кубического нитрида бора или твердосплавных инструментов с покрытием, достигая чистоты от 0,4 до 0,8 микрометра Ra и потенциально исключая операции шлифования. Вибрационная-фрезерование накладывает ультразвуковые или низкочастотные-колебания на обычное движение инструмента, изменяя образование стружки и уменьшая силы резания, улучшая целостность поверхности сложных материалов.
10. Измерение и контроль качества
Для измерения шероховатости фрезерованной поверхности обычно используются профилометры с контактным щупом, отслеживающие перпендикулярно доминирующим следам инструмента. Для трехмерных-поверхностей направление измерения должно совпадать с направлением шага, чтобы обеспечить максимальную шероховатость. Интерферометрия в белом свете и конфокальная микроскопия позволяют бесконтактно оценить мягкие поверхности или определить требования к шероховатости суб-микрометра.
В месте измерения следует избегать зон входа и выхода, переходов траектории инструмента и областей явной вибрации или изменений в зацеплении инструмента. Многочисленные измерения по всей поверхности характеризуют однородность и выявляют систематические закономерности, связанные с геометрией станка или прогрессом износа инструмента.
11. Устранение распространенных дефектов отделки
Фестончатые следы, более крупные, чем теоретически прогнозируется, указывают на чрезмерный шаг, отклонение инструмента под действием сил резания или податливость станка. Наросты-на кромке проявляются в виде рваной, неровной текстуры поверхности с отложениями материала, что требует увеличения скорости, улучшения подачи СОЖ или более острого инструмента. Вибрация создает регулярную волнистость, перпендикулярную направлению подачи, что требует регулировки скорости, повышения жесткости или инструментов с переменным шагом. Четверти или следы при изменении направления отражают несоответствие сервоприводов или пределы ускорения, что требует оптимизации скорости подачи или более плавных переходов траектории. Разрывы поверхности пластичных материалов возникают в результате отрицательных эффективных передних углов, тупых инструментов или недостаточной скорости резания. Образование заусенцев по кромкам указывает на неправильную стратегию выхода, чрезмерную подачу или недостаточную остроту инструмента.
Заключение
Фрезерование с ЧПУ обеспечивает качество поверхности, начиная от грубого удаления материала при Ra 12,5 микрометров и заканчивая сверхточными зеркальными поверхностями с Ra менее 0,1 микрометра. Достижимая чистовая обработка зависит от комплексной оптимизации параметров резания, геометрии инструмента и материала, динамики станка, стратегии траектории инструмента, подачи СОЖ и характеристик заготовки. Прерывистый характер фрезерования создает уникальные проблемы, связанные с вибрацией и вибрацией, которые требуют особого внимания к стабильности системы. Для прецизионных применений в изготовлении пресс-форм, аэрокосмических компонентов и оптических приспособлений инвестиции в высокоскоростные-шпиндели, вибропоглощающие-инструменты, термическую стабильность и передовые стратегии CAM неизменно обеспечивают превосходную целостность поверхности. Понимание теоретических основ формирования фрезерованных поверхностей в сочетании с практическими знаниями динамики станков позволяет инженерам-технологам расширить границы точности фрезерования, сохраняя при этом производительную скорость съема материала.
