При фрезеровании с ЧПУ достижение заданных размеров — это только полдела. Качество обработки поверхности часто является истинным показателем хорошо выполненного процесса обработки. Безупречная отделка не только свидетельствует о мастерстве машиниста и качестве оборудования, но и имеет решающее значение для функциональных характеристик детали, влияющих на все — от трения и износа до усталостной долговечности и коррозионной стойкости.
Однако добиться идеальной поверхности бывает непросто. Процесс фрезерования представляет собой сложное взаимодействие сил, вибраций и тепловых воздействий, которые могут проявляться в виде различных дефектов поверхности. В данном руководстве представлен систематический подход к выявлению, пониманию и решению наиболее распространенных проблем с обработкой поверхности.
Дефект №1: Заметные следы от инструмента или линии подачи
Как это выглядит: видимые, равномерно расположенные линии или выступы, которые повторяют траекторию движения инструмента. Хотя при фрезеровании остаются заметные следы, они достаточно отчетливы, чтобы их можно было легко увидеть или пощупать, придавая поверхности «фестончатый» или рифленый вид.
Общие причины:
Скорость подачи слишком велика для радиуса торцевой части инструмента: размер зубчатого венца напрямую зависит от подачи на зуб и радиуса закругления инструмента (или эффективного радиуса на шаровой фрезе). Высокая скорость подачи при малом радиусе приведет к образованию глубоких зубчатых венцов.
Биение инструмента: если инструмент не находится на одной оси с осью вращения шпинделя, с одной режущей кромки будет сниматься стружка большего размера, чем с других. Из-за этого эффекта «хромания» на каждом обороте остается след, похожий на толстую линию подачи.
Изношенная или со сколами режущая кромка: Поврежденная режущая кромка больше не будет срезать материал чисто, вместо этого она будет проходить сквозь него и оставлять смазанную или неровную канавку.
Как это исправить:
Оптимизируйте подачу и скорость: при чистовых проходах уменьшите подачу на зуб (IPT) или увеличьте радиус поворота инструмента. Использование фрезы большего диаметра или специальной «зачищающей» пластины с небольшим выступом на конце очень эффективно для сглаживания таких следов.
Проверьте и сведите к минимуму биение: убедитесь, что ваш резцедержатель, цанга и шпиндель чистые и не имеют повреждений. Используйте высококачественный резцедержатель с точной заточкой. В критических ситуациях измерьте биение инструмента с помощью циферблатного индикатора и при необходимости отрегулируйте или повторно закрепите. Биение более 0,0005 дюйма (0,012 мм) может вызвать проблемы.
Осматривайте и заменяйте оснастку: Регулярно проверяйте режущие кромки на предмет износа или микротрещин, особенно при работе с абразивными материалами. Не стесняйтесь использовать новый инструмент или вставку для окончательной доводки.
Дефект №2: Следы дребезжания
Как это выглядит: Характерный волнистый рисунок или рисунок в виде змеиной кожи на поверхности, часто сопровождающийся громким, пронзительным скрежещущим звуком во время среза. Следы обычно располагаются перпендикулярно направлению подачи.
Общие причины:
Вибрация — это самовозбуждающаяся вибрация, или резонанс, в системе обработки. Основной причиной является недостаточная жесткость какого-либо участка цепи.
Установка инструмента и держателя: Инструмент слишком далеко выступает из держателя, или сам держатель инструмента длинный и тонкий.
Зажим заготовки: Деталь удерживается недостаточно жестко, или обрабатываемый элемент представляет собой тонкую стенку или пол, которые могут легко вибрировать.
Состояние станка: Изношенные подшипники шпинделя или незакрепленные гайки на осях станка могут привести к прогибу и снижению общей жесткости.
Параметры резания: Неправильное сочетание радиальной/осевой глубины резания и частоты вращения шпинделя приводит к превышению собственной частоты системы.
Как это исправить:
Увеличьте жесткость (Золотое правило):
- Оснастка: Используйте для работы как можно более короткий и прочный инструмент. Как можно плотнее закрепите инструмент в держателе. Используйте высокопроизводительные держатели (например, гидравлические, с термоусадочной посадкой) вместо стандартных цанг ER для интенсивной резки.
- Крепление: Убедитесь, что заготовка надежно закреплена как можно ближе к зоне резания. При необходимости добавьте опору под тонкие детали.
Изменяйте частоту вращения шпинделя: часто простое увеличение или уменьшение частоты вращения на 10% может нарушить гармонический резонанс и устранить вибрацию. Это самый быстрый способ, который можно попробовать.
Измените стратегию резания: используйте инструмент с другим количеством канавок. Используйте высокоэффективные фрезерные станки (HEM), которые обеспечивают меньшую радиальную глубину резания (WOC), но гораздо большую осевую глубину резания (DOC). Это изменяет усилие, прилагаемое к инструменту, и может значительно уменьшить вибрацию.
Измените геометрию фрезы: используйте концевую фрезу с изменяемой спиралью или шагом резания. Эти инструменты специально разработаны для устранения гармонических вибраций, которые вызывают вибрацию.
Дефект №3: Заусенцы
Как это выглядит: Острый, приподнятый край материала, оставшийся по краям обрабатываемой поверхности после прохождения фрезы.
Общие причины:
Износ инструмента: Тупой инструмент не срежет материал чисто; он врезается и давит на него до тех пор, пока он не начнет пластично деформироваться и не выйдет из разреза в виде заусенца.
Свойства материала: Мягкие, вязкие материалы, такие как низкоуглеродистая сталь, алюминий и некоторые нержавеющие стали, более склонны к образованию заусенцев.
Неправильные параметры резания: Низкая скорость подачи иногда может привести к образованию заусенцев, поскольку инструмент скорее трет, чем режет.
Как это исправить:
Используйте острый инструмент с покрытием: острая кромка — это защита от заусенцев номер один. Используйте направляющие с высокой геометрической точностью и гладкое покрытие (например, DLC или ZrN для алюминия), чтобы обеспечить чистое срезание.
Используйте фрезерование с подъемом: При фрезеровании с подъемом инструмент врезается в материал «снизу», образуя стружку толщиной от толщины к толщине. Это направляет усилие резания в корпус детали и приводит к образованию заусенцев меньшего размера, чем при обычном фрезеровании.
Настройка траекторий движения инструмента: запрограммируйте траектории движения инструмента таким образом, чтобы избежать выхода из материала по острой кромке без опоры. Например, пусть инструмент «сворачивает» за угол, а не подается прямо с кромки.
Удаление заусенцев в качестве последней операции: Попробуйте запрограммировать заключительный, очень легкий проход для снятия заусенцев или фаски с помощью специального инструмента, чтобы механически удалить все оставшиеся заусенцы до того, как деталь покинет станок.
Целостный подход к качеству
Устранение дефектов обработки поверхности редко сводится к поиску единственного волшебного средства. Это требует комплексного подхода, учитывающего всю систему обработки:
Начните со стабильности: жесткий станок, надежная опора и короткая, прочная оснастка являются основой любой качественной отделки.
Выберите правильный инструмент: Всегда используйте острый, высококачественный резак с правильной геометрией и покрытием для вашего материала.
Оптимизируйте процесс: не бойтесь экспериментировать. Небольшая настройка частоты вращения шпинделя, скорости подачи или глубины резания часто может иметь решающее значение.
Дефект №4: Горение
Выгорание — это изменение цвета, твердости или микроструктуры поверхности заготовки после фрезерования на станке с ЧПУ. Это может серьезно повлиять на качество поверхности и эксплуатационные характеристики детали.
Общие причины:
Чрезмерная скорость резания: При слишком высокой скорости резания резко возрастает трение между инструментом и обрабатываемой деталью, что приводит к значительному выделению тепла при резании. Это приводит к быстрому повышению температуры поверхности заготовки, которая достигает или превышает температуру фазового перехода материала заготовки. Это может привести к изменению микроструктуры поверхности заготовки и вызвать ожоги. Например, при фрезеровании стали на высоких скоростях неправильное регулирование скорости резания может легко вызвать окисление и изменение цвета поверхности заготовки из-за высокой температуры или даже закалку. Это повышает твердость поверхности, но также снижает ударопрочность материала, что приводит к появлению поверхностных дефектов, таких как трещины.
Недостаточное охлаждение: При фрезеровании с ЧПУ охлаждающая жидкость снижает температуру резания, уменьшает трение между инструментом и обрабатываемой деталью и, таким образом, улучшает качество поверхности. Однако недостаточный расход охлаждающей жидкости, неправильный угол распыления или неподходящий тип охлаждающей жидкости могут привести к плохому охлаждению, препятствуя быстрому отводу тепла, выделяющегося в зоне резания, что приводит к повышению температуры поверхности заготовки и ожогам. Например, при обработке некоторых материалов с низкой теплопроводностью, таких как титановые сплавы и жаропрочные сплавы, если охлаждающая жидкость не может полностью охладить заготовку, поверхность заготовки может легко обгореть из-за накопления тепла.
Как это исправить:
Оптимизация параметров резания
Рациональный выбор параметров резания является ключом к повышению качества поверхности при фрезеровании с ЧПУ. Во-первых, необходимо определить соответствующую скорость резания, скорость подачи и глубину резания, основываясь на таких факторах, как свойства материала заготовки, материал и геометрия инструмента, а также требования к обработке. Благодаря созданию прогнозирующей модели, связывающей параметры резания и качество поверхности, можно добиться точного выбора и оптимизации параметров резания для достижения оптимального качества поверхности.
Улучшение охлаждения и смазки
Охлаждение и смазка являются важными средствами снижения температуры резания, минимизации трения между инструментом и заготовкой и улучшения качества поверхности. Соответствующий тип охлаждающей жидкости и способ ее подачи следует выбирать в зависимости от материала заготовки, инструмента и требований к обработке. В то же время расход охлаждающей жидкости и угол распыления должны быть разумно отрегулированы таким образом, чтобы охлаждающая жидкость полностью покрывала зону резания и достигала наилучшего эффекта охлаждения и смазывания. Кроме того, могут быть внедрены некоторые новые технологии охлаждения и смазки, такие как технология минимальной смазки и технология охлаждения жидким азотом. Эти технологии могут не только улучшить эффективность охлаждения и смазки, но и снизить загрязнение окружающей среды и производственные затраты.
Вывод
Образование поверхностных дефектов при фрезеровании с ЧПУ является сложной проблемой, включающей множество аспектов, таких как параметры резания, режущие инструменты, материалы заготовки и технология обработки. Для решения этих проблем необходимо всесторонне учитывать различные факторы и принять ряд эффективных мер: от оптимизации параметров резания, выбора подходящего режущего инструмента, повышения точности установки инструмента, принятия соответствующих стратегий обработки, улучшения охлаждения и смазки до внедрения передовых технологий обнаружения и компенсации. Только при использовании комплексного подхода можно значительно улучшить качество поверхности фрезерных станков с ЧПУ, чтобы удовлетворить потребности современного производства в высокоточных и высококачественных деталях. В то же время, благодаря постоянному развитию науки и техники, постоянно появляются новые технологии обработки, инструментальные материалы и технологии нанесения покрытий, а также интеллектуальные технологии управления. Контроль качества поверхности при фрезеровании с ЧПУ станет более точным и эффективным, что окажет существенную поддержку развитию обрабатывающей промышленности.