Выбор режущего инструмента для станков ЧПУ: профессиональное руководство по ресурсу и производительности

Правила выбора режущего инструмента для станков ЧПУ

Ресурс инструмента тесно связан с режимами резки. При задании параметров сначала выбирают разумный ресурс, определяемый по цели оптимизации. Обычно два типа: ресурс для максимальной производительности и ресурс для минимальной себестоимости. Первый — по критерию минимального машино-времени на деталь, второй — по минимальной технологической стоимости.

При выборе ресурса учитывают сложность инструмента, стоимость изготовления и заточки. Ресурс сложных и высокоточных инструментов должен быть выше, чем у одноленточных. Для механико-зажимных режущих пластин с быстрой сменой, чтобы реализовать режущие свойства и повысить производительность, ресурс выбирают ниже — обычно 15–30 мин. Для многоинструментальных станков, модульных и автоматизированных линий, где установка, смена и наладка инструмента сложнее — ресурс выше, обеспечивают надёжность. Когда производительность определённого участка ограничивает весь цех — ресурс этого участка выбирают ниже. Когда затраты на единицу времени на участке большие — ресурс тоже ниже. При финишной обработке крупногабаритных деталей, чтобы гарантировать проход без смены инструмента, ресурс определяют по точности и шероховатости.

По сравнению с обычными станками, ЧПУ предъявляет более высокие требования к инструменту: не только качество и точность, но и размерная стабильность, высокая долговечность, лёгкая установка и настройка, соответствие высокой эффективности ЧПУ. Выбирают материалы для высокоскоростной резки (высокоскоростная сталь, сверхтонкозёрнистый твёрдый сплав) и механико-зажимные вставки.

Инструмент для точения на ЧПУ

Обычные ЧПУ-точащие инструменты делятся на три категории: профильные (формообразующие), точечные (с прямой кромкой) и дугообразные.

Профильные (прототипные) — контур детали полностью определяется формой и размерами лезвия. В ЧПУ-точении часты: малорadiusные дуговые, непрямоугольные, резьбовые. В ЧПУ обработке профильные инструменты лучше использовать минимально или вообще не использовать.

Точевые — характерной чертой прямая режущая кромка. Вершина состоит из линейных главной и вспомогательной кромок: 90° внутренние/наружные, левые/правые торцевые, канавочные (отрезные), различные внутренние/наружные с малым радиусом вершины. Подбор геометрических параметров (в основном углов) аналогичен обычному точению, но учитывают специфику ЧПУ (маршрут, интерференция) и прочность вершины.

Дугообразные — режущая кромка дугообразна с малым радиусом или линейной погрешностью профиля. Каждая точка дуги — вершина. Точка инструмента не на дуге, а в её центре. Применяются для внутренних/наружных поверхностей, особенно для гладких стыков (вогнутых) формообразующих поверхностей. При выборе радиуса дуги учитывают: радиус кромки ≤ минимального радиуса кривизны вогнутого контура детали — избегание необработанных зон. Радиус не должен быть слишком мал — иначе трудно изготовить, слабая вершина или плохое теплоотведение корпуса инструмента.

Инструмент для фрезерования на ЧПУ

В ЧПУ обработке для контуров плоских деталей и фрезерования плоскостей чаще используют торцевые фрезы с плоским дном. Эмпирические параметры: 1) Радиус фрезы R_D < минимального радиуса кривизны R_min внутреннего контура детали, обычно R_D = (0,8–0,9) R_min. 2) Высота обработки H < (1/4–1/6) R_D для жёсткости. 3) При фрезеровании дна внутренней паза торцевой фрезой два прохода дна перекрываются, радиус кромки дна R_e = R_r, диаметр d = 2R_e = 2(R_r). Берут R_e = 0,95 (R_r). Для 3D-профилей и переменных фасок — сферические, кольцевые, барабанные, конические, дисковые фрезы.

Большинство ЧПУ использует сериализованные и стандартизированные инструменты. Для державок и головок (механико-зажимные наружные/торцевые) есть гостовые стандарты и серии. Для машцентров и станков с автосменой инструмента державки сериализованы/стандартизированы. Напр., стандарт конической системы — TSG-JT, прямой — DSG-JZ. Перед применением выбранный инструмент строго измеряют для точных данных, оператор вводит в систему данных, обработка идёт по программному вызову — годные детали.

Точка инструмента (Tool Point)

С какой позиции инструмент начинает движение к заданной? В начале программы в системе координат детали должна быть определена стартовая позиция инструмента относительно заготовки. Это точка начала программы или стартовая точка. Обычно определяется при установке инструмента — точка установки (tool setting point). При написании программы правильно выбирают позицию точки установки. Принцип: удобство численной обработки и упрощение программирования; лёгкое выравнивание и проверка в процессе; малая погрешность. Точку установки можно задать на детали, оправке или станке. Для повышения точности — лучше на конструктивной или технологической базе детали. В реальной работе точку расположения инструмента (tool location point) совмещают с точкой установки вручную. «Точка расположения» — позиционный базис инструмента. У точащего — вершина или центр дуги вершины. У торцевой фрезы — пересечение оси и дна. У сферической — центр шара. У сверла — вершина. Ручная установка — низкая точность и эффективность. Заводы используют оптические прицелы, установщики, автоустановку — сокращают время, повышают точность. При смене инструмента в процессе — задают точку смены. «Точка смены» — позиция револьвера при повороте для смены. Должна быть вне заготовки/оправки, при смене не задевать деталь и прочие части.

Режимы резки (Machining Data)

В ЧПУ-программировании программист определяет режимы для каждой операции и записывает в программу инструкциями. Режимы: частота шпинделя, апатура (глубина резки), скорость подачи. Для разных методов — разные режимы. Принцип выбора: обеспечить точность и шероховатость, реализовать режущие свойства инструмента, обеспечить разумную долговечность, реализовать потенциал станка для макс. производительности и мин. затрат.

1. Определение частоты шпинделя

Выбирают по допустимой скорости резки и диаметру заготовки (или инструмента). Формула: n = 1000 v / (π D), где: v — скорость резки, м/мин, по долговечности инструмента; n — частота шпинделя, об/мин; D — диаметр заготовки или инструмента, мм. Из расчётного n выбирают имеющуюся на станке или ближайшую.

2. Определение скорости подачи

Важный параметр режимов ЧПУ. Выбирают по требованиям точности и шероховатости, свойствам материалов инструмента и заготовки. Макс. подача ограничена жёсткостью станка и системой подачи. Принцип: при гарантии качества — выше подача для производительности. Обычно 100–200 мм/мин. При резе, глубоких отверстиях, Р6М5 инструменте — ниже, 20–50 мм/мин. При высоких требованиях точности/шероховатости — ниже, 20–50 мм/мин. При холостом ходе, особенно дальнем «возврате в ноль» — макс. подача по настройкам ЧПУ.

3. Определение глубины резки (апатуры)

Определяется жёсткостью станка, заготовки, инструмента. При допускающей жёсткости апатура максимальна — равна припуску, уменьшая число проходов и повышая производительность. Для качества поверхности оставляют малый припуск на чистовую — обычно 0,2–0,5 мм. Итог: конкретные значения режимов определяют по аналогам, руководствуясь паспортом станка, справочниками и опытом.

Частота шпинделя, апатура и подача могут сочетаться для формирования оптимальных режимов резки.

Режимы резки — не только важный параметр перед наладкой, но и их разумность критически влияет на качество, эффективность, себестоимость. «Разумные» режимы — те, что при обеспечении качества максимально используют режущие свойства инструмента и динамику станка (мощность, момент) для высокой производительности и низкой стоимости.