Выбор правильных стратегий металлообработки для экономичного прототипирования

Металлообработка, особенно фрезерование, широко распространена в современном прототипировании. Производители прототипов стремятся максимизировать возможности оборудования. Популярный метод последних лет — винтовое фрезерование. Разберем, что это, плюсы/минусы и как использовать знания при проектировании прототипа для снижения затрат.

Что такое винтовое фрезерование?

Винтовое фрезерование — альтернативный процесс создания отверстий. Эндовая фреза движется по винтовой траектории для получения высококачественного отверстия. Много преимуществ перед конвенциональным сверлением, может полностью заменить растачивальные станки — всегда выгодно для прототипирующих мастерских, желающих избежать закупки много оборудования. (Ха, не говорю что они тупые, они довольно острые, подожди… они скучные и острые одновременно. Эта игра слов убивает). Винтовое фрезерование создает отверстия практически любой формы, режущее усилие ниже, износ инструмента меньше, достижимое качество высокое.

Почему не сверление?

Главная альтернатива — конвенциональное сверление. Очень распространенный метод. Статистически: сверление занимает до 25% цикла и 33% от общего числа операций при изготовлении металлической детали. Но почему рассмотреть фрезерование? Несмотря на более простую кинематику, сверление имеет ряд минусов, оправдывающих более сложное фрезерование.

Например, скорость резания сверла зависит от диаметра. Максимальна на внешней точке, практически нуль в центре (где ось). Значит, процесс у оси вращения — не резание, а пластическая деформация. Это увеличивает осевую силу нажатия на инструмент, инструмент резко изнашивается.

Из-за осевой силы нажатия сверло, особенно изношенное, сгнет тонкий слой металла при выходе из заготовки. Остаточный материал выступает вокруг отверстия, требует ручного удаления. Фреза резко снижает остаточный материал.

Сверление дает ужасные условия удаления стружки. Материал удаляется только через желоба сверла. Удаление стружки влияет на чистоту отверстия и температуру резания. Металл, движущийся из зоны реза через желоба наружу, царапает стенки отверстия, снижая чистоту. Доказано: стружка уносит до 80% тепла резания, проблемы удаления повышают температуру сверла. Износ ускоряется. Для повышения удаления используют дискретное сверление: сверло обрабатывает часть длины, затем извлекается. Хорошая стратегия, но время сверления растет.

Как видите, у сверления серьезные недостатки, поэтому в стремлении к эффективности обработки и прототипирующих мастерских применяют винтовое фрезерование.

Специфика винтового фрезерования

Рассмотрим процессы в винтовом фрезеровании.

Во-первых, эндовая фреза движется по винтовому пути. Фрезерный центр должен комбинировать вертикальное Z-движение и горизонтальные X-Y. NC-программа становится очень сложной для ручного написания, но многие CAM-системы внедрили винтовое фрезерование как стратегию.

Геометрия стружки из двух зон: синяя — боковая поверхность фрезы, красная — торцевая. Доказано: соотношение зон определяется только диаметрами инструмента и отверстия.

С увеличением диаметра инструмента растет синяя зона. Хуже фрезерование по вибрации — синяя стружка дискретна, в отличие от красной. Чистота поверхности хуже. К тому же, с ростом объема, удаляемого боком фрезы, растут радиальные режущие силы (красный Fr на картинке), они гнут инструмент внутрь отверстия, допуск ухудшается. Негативный эффект частично компенсируется большей жесткостью крупных инструментов.

Если инструмент меньше — преобладает красная зона, радиальная сила и вибрация малы, но уменьшение диаметра ограничено жесткостью системы.

Лучше: крупный инструмент сначала, затем мелкий для финишного реза с малой глубиной и подачей — отличная чистота.

Причины использовать винтовое фрезерование

Как видите, винтовое фрезерование — перспективный процесс с преимуществами.

Можно получить любой диаметр с лучшей точностью и качеством без смены инструмента. Если сверлили отверстие >35 мм — знаете: одним сверлом плохо. Обычно ряд меньших сверл: сначала 10 мм, потом 20 мм, потом 35 мм. Потом, если нужна точность/чистота — растачивание/за Fase. Это 4-6 смен инструмента. Винтовое фрезерование — одна эндовая фреза для вырезания отверстия, затем меньшая подача для нужного допуска и качества. Достигают IT7 с Ra 1,25 без смены инструментов.

Нижняя температура резания и лучшее удаление стружки. Эндовая фреза не занимает всё пространство отверстия — главное преимущество. Не нужно извлекать инструмент после погружения на каждые 30 мм. Просто подать СОЖ в отверстие — удалит стружку и снизит температуру.

Можно предсказать износ инструмента и корректировать траекторию. Главная проблема сверления: износ виден когда сверло полностью сломано, на твердых материалах может застрять в отверстии. Винтовое фрезерование — просто фрезерование. Можно предсказать износ стандартными методами или по ресурсу от производителя. Можно учесть изменения в процессе: немного изменить траекторию для сохранения диаметра. Со сверлением так не получится. Кстати, ресурс определяется износом торца (красная зона стружки).

Заключение

Конечно, винтовое фрезерование — инновационный процесс с минусами. Например, скорость удаления стружки не так высока, параметры еще не до конца изучены. Но техника снижает число установок, обработок и инструментов, сохраняя качество отверстий. Значительное преимущество для прототипирующих производителей, желающих минимизировать инструмента и оборудование.