Maksymalizacja wydajności frezarki w przetwarzaniu metali

Optymalizacja wydajności usuwania materiału za pomocą wysokowydajnego frezowania (HEM)

Dlaczego tradycyjne frezowanie ogranicza potencjał nowoczesnych maszyn frezarskich

Tradycyjne metody frezowania, szczególnie frezowanie rowków, skupiają siły skrawania głównie na częściach krawędzi narzędzia. To skupienie prowadzi do szybszego zużycia i powstawania naprężeń termicznych w tych obszarach. Ostatnie badania z 2023 roku dotyczące parametrów CNC wykazały coś interesującego. Gdy zaangażowanie promieniowe przekracza 40%, ilość wydzielanego ciepła wzrasta dwukrotnie w porównaniu do normalnego poziomu, podczas gdy żywotność narzędzia spada o około dwie trzecie. Takie nieefektywności znacząco spowalniają produkcję seryjną, zwłaszcza przy obróbce stali hartowanych. Stała konieczność wymiany wcześnie ulegających awarii narzędzi kosztuje producentów rocznie około 740 000 dolarów z powodu nieplanowanych przestojów, według danych opublikowanych w zeszłym roku przez instytut Ponemon Institute. To poważny problem finansowy dla każdego menedżera działu produkcyjnego starającego się zapewnić płynny przebieg operacji.

Optymalizacja głębokości skrawania, posuwu na ząb i obciążenia wrzeciona dla maksymalnego MRR

Wysokowydajne frezowanie (HEM) wykorzystuje pełny potencjał momentu obrotowego i mocy nowoczesnych maszyn frezarskich poprzez strategiczną równowagę trzech wzajemnie zależnych parametrów:

• Promieniowa głębokość skrawania (RDOC) : Utrzymywana na poziomie 5–15% średnicy frezu, aby rozłożyć zużycie na większą liczbę zębów i zmniejszyć siłę promieniową
• Osiewa głębokość skrawania (ADOC) : Wydłużona do 1,5–3× średnicy narzędzia, aby zmaksymalizować udział materiału bez przeciążania wrzeciona
• Posuw na ząb : Dynamicznie dostosowany do prędkości obrotowej wrzeciona, aby utrzymać stałą, optymalną grubość wióra

To podejście zmniejsza siły promieniowe nawet o 60% w porównaniu z konwencjonalnymi ścieżkami – redukując drgania, poprawiając jakość powierzchni oraz wydłużając żywotność narzędzi o 70%. W stopach lotniczych, takich jak Inconel 718 i Ti6Al4V, HEM zapewnia nawet trzykrotnie wyższy wskaźnik usuwania materiału (MRR), zachowując stabilność wymiarową i jakość powierzchni detalu.

Inteligentne strategie ścieżek narzędziowe w celu poprawy wydajności maszyn frezarskich

Minimalizowanie cienienia wióra poprzez kontrolę zaangażowania promieniowego i osiowego

Niestały przeplot warstw – często spowodowany niekontrolowanym promieniowym nadmiarem lub płytką osiową głębokością – prowadzi do cienkich wiórów, które nie odprowadzają ciepła, zwiększając tarcie, zużycie narzędzi i ryzyko utwardzenia przedmiotu obrabianego. Kontrola geometrii wcięcia przywraca efektywne formowanie i usuwanie wiórów:

• Ograniczenie promieniowego wcięcia do ≤30% średnicy frezu zapobiega odkształceniu i drganiom podczas obróbki aluminium
• Zwiększenie głębokości osiowej przy jednoczesnym zmniejszeniu nadmiaru stabilizuje siły skrawania i poprawia przekaz ciepła podczas obróbki tytanu i stali hartowanych

Wynikiem jest przewidywalna i powtarzalna wydajność – kluczowa dla utrzymania ścisłych tolerancji i utrzymania produktywności w długich seriach produkcji.

Wybór ścieżki narzędzia: Trochoidalna, HREM lub Wysokopodaniowa – w zależności od materiału i sztywności

Wybór ścieżki narzędzia musi uwzględniać zarówno zachowanie materiału, jak i możliwości maszyny – nie tylko teoretyczną efektywność:

Ścieżki trochoidealne działają poprzez wykorzystanie kontrolowanych łuków okręgowych, które pomagają ograniczyć ilość materiału angażowanego jednocześnie. Takie podejście jest bardzo skuteczne przy cięciu twardych, lepkich stali nierdzewnych bez powodowania nadmiernej wibracji. W kontekście HEM (obróbka o wysokiej wydajności), ta metoda oznacza zasadniczo zwiększanie posuwów i głębsze frezowanie wzdłuż osi, ale wyłącznie wtedy, gdy maszyna ma wystarczającą sztywność, by prawidłowo poradzić sobie z obciążeniem wióra. Dla warsztatów pracujących na starszym sprzęcie lub maszynach o niewielkiej mocy, frezowanie wysokoposuwowe staje się rozsądnym wyborem. Polega ono na stosowaniu płytszych przejść, ale z większą prędkością narzędzia, tworząc grube, krótkie wióry zamiast długich nitków. To chroni wrzeciono przed zużyciem i jednocześnie zapewnia dostateczną produktywność przy obróbce trudniejszych materiałów na maszynach budżetowych.

Stabilizacja frezarki: oprzyrządowanie, mocowanie przedmiotu obrabianego i zarządzanie wibracjami

Narzędzia węglikowe vs. CBN przy obróbce stali hartowanej: kompromisy między żywotnością narzędzia a czasem pracy frezarki

Podczas pracy z hartowanymi stalami powyżej 45 HRC, narzędzia węglikowe oraz kostkowy azotek boru (CBN) są właściwie całkiem różnymi rozwiązaniami, których nie można naprawdę wymieniać pomiędzy sobą. Węglik lepiej wytrzymuje nagłe obciążenia udarowe podczas procesów skrawania i nie stanowi problemu, jeśli występują niewielkie niedokładności ustawienia, co czyni go dość odpornym w codziennych warunkach warsztatowych, gdzie rzeczy nie zawsze są idealne. CBN natomiast najlepiej sprawdza się w gładkich, szybkich operacjach wykańczających. Żywotność narzędzia może być około dziesięć razy dłuższa dzięki dużej stabilności i twardości utrzymywanej przy wysokich temperaturach. Ale jest jeden haczyk: materiał ten wymaga bardzo dokładnej kontroli drgań oraz odpowiedniej ilości chłodziwa dostarczanego dokładnie tam, gdzie trzeba. A ponadto CBN łatwo się kruszy za każdym razem, gdy występuje błąd wycieczki lub problemy z osiowaniem. Dlatego, choć CBN zapewnia maksymalną produktywność na sztywnych maszynach obsługujących duże serie produkcji, większość warsztatów nadal preferuje węglik przy różnorodnych przedmiotach obrabianych lub sprzęcie, który nie jest idealnie konserwowany.

Systemy modułowego mocowania narzędzi: Redukcja wychylenia obrotowego w celu zwiększenia dokładności i trwałości frezarek

Wychylenie obrotowe, które w zasadzie oznacza, w jakim stopniu narzędzie obraca się poza środkiem względem osi maszyny, powoduje różnorodne problemy na hali produkcyjnej. Nierówne siły cięcia, irytujący dźwięk drgań podczas obróbki oraz przedwczesne zużycie narzędzi są bezpośrednimi skutkami słabej kontroli wychylenia obrotowego. Dobrą wiadomością jest, że nowoczesne precyzyjne systemy mocowania narzędzi mogą tutaj wprowadzić realną poprawę. Te zaawansowane systemy wykorzystują takie rozwiązania jak mechaniczne rozprężanie hydrauliczne, techniki termokurczliwe lub specjalne dwustronne oprawki tulejowe, które ostatnio stają się coraz popularne. Pozwalają zmniejszyć całkowite wskazane wychylenie obrotowe (TIR) o około 70 procent w porównaniu do tradycyjnych uchwytów typu ER lub BT. Zakłady, które dokonały przejścia, zgłaszają lepsze jakości powierzchni, dłuższą trwałość narzędzi oraz ogólnie bardziej sprawną pracę ich centrów obróbkowych.

• Do 40% dłuższa trwałość narzędzi poprzez eliminację asymetrycznego zużycia powierzchni bocznych
• Powtarzalność wymiarów w zakresie ±0,0005 cala, zmniejszająca konieczność inspekcji i przeróbek po procesie
• Niższe wzbudzenie harmoniczne zachowuje integralność łożysk wrzeciona i wydłuża odstępy między ponownymi kalibracjami

W połączeniu z zrównoważonymi zespołami narzędzi oraz zoptymalizowanymi prędkościami wrzeciona, te systemy obniżają roczne koszty utrzymania o ok. 18% i umożliwiają uzyskanie lepszej jakości powierzchni – szczególnie ważne przy obróbce tytanu i hartowanych stopów wymagających ścisłych tolerancji geometrycznych.

Zarządzanie ciepłem i medium chłodzącym dla zapewnienia trwałości wydajności frezarek

Skuteczna kontrola temperatury jest podstawą precyzji, długowieczności narzędzi oraz niezawodności procesu. Stopy tytanu, na przykład, generują lokalne temperatury cięcia przekraczające 1000°C, które – bez skierowanego zarządzania ciepłem – prowadzą do szybkiego zużycia narzędzi, zmian mikrostrukturalnych w materiale obrabianym oraz utraty kontroli nad wymiarami.

MQL vs. chłodzenie przez-wrzecionowe pod wysokim ciśnieniem: dopasowanie strategii chłodzenia do wymagań frezowania tytanu i stopów

MQL zmniejsza zużycie cieczy o około 90% w porównaniu z tradycyjnymi metodami chłodzenia strumieniem, a także pomaga ograniczyć wpływ na środowisko. Dlatego jest dobrym wyborem podczas pracy z materiałami takimi jak aluminium czy stale o niskiej zawartości węgla, gdzie generowane ciepło nie jest zbyt duże. Ale jest jednak pewien haczyk. MQL nie zapewnia wystarczającej skuteczności odprowadzania ciepła przy trudniejszych materiałach, takich jak tytan, którego przewodność termiczna wynosi około 6,7 W/m·K, czy też stopy niklu. Te materiały mają tendencję do odkształcania się termicznego lub twardnienia podczas obróbki bez odpowiedniego chłodzenia. Dlatego wiele zakładów korzysta z systemów chłodzenia wysokociśnieniowego przez wrzeciono, działających przy ciśnieniu od 70 do 300 bar. Te systemy wtłaczają ciecz chłodzącą bezpośrednio do strefy skrawania z dużą prędkością, obniżając temperaturę w strefie kontaktu o około 200–300 stopni Celsjusza. Zgodnie z badaniami opublikowanymi w SME Technical Paper Series w 2022 roku, takie podejście może wydłużyć żywotność narzędzi od dwóch do trzech razy podczas obróbki Ti6Al4V lub Inconel 718. W przypadku precyzyjnych elementów generujących dużo ciepła, chłodzenie wysokociśnieniowe już nie jest opcjonalne. Musi być od samego początku wbudowane w projekt systemu.

Porównanie wydajności chłodzenia

Wybór niewłaściwych strategii chłodzenia, takich jak zastosowanie MQL podczas obróbki tytanu, wprowadza niestabilność termiczną, która pogarsza integralność powierzchni, przyspiesza zużycie narzędzi i przyczynia się do udokumentowanego spadku efektywnej produktywności o 23% podczas precyzyjnego frezowania.