Максимизируйте эффективность ЧПУ при обработке деталей с глубокими и узкими полостями:советы экспертов

Детали с глубокими полостями, особенно с узкой внутренней геометрией, являются одной из самых сложных задач при фрезеровании на станках с ЧПУ. Распространенные проблемы включают чрезмерный вылет инструмента, плохую эвакуацию стружки и недостаточное охлаждение. Эти проблемы могут сократить срок службы инструмента, ухудшить качество поверхности и снизить эффективность производства.

Основные соображения по обработке глубоких и узких полостей на станках с ЧПУ

При обработке глубоких и узких полостей особого внимания требуют следующие факторы:

• Деформация инструмента :более длинные инструменты более склонны к изгибу, что влияет на точность размеров и качество поверхности.
• Эвакуация стружки :стружка имеет тенденцию скапливаться на дне глубоких полостей, увеличивая риск поломки инструмента или повреждения стенок.
• Вибрация :Чрезмерный вылет инструмента и отсутствие опоры могут привести к вибрации, что снижает точность и сокращает срок службы инструмента.
• Соотношение глубины и ширины :Поддержание соотношения глубины и ширины полости в пределах от 3:1 до 4:1 помогает снизить нестабильность обработки.
• Отношение глубины к радиусу скругления :Когда отношение глубины полости к радиусу углового скругления достигает 10:1, конструкцию можно считать глубокой полостью. Чем больше это соотношение, тем длиннее становится необходимый режущий инструмент. Так что это основной показатель сложности обработки.

Обработка глубоких полостей алюминия

В этой статье будет представлен подробный анализ практических решений для деталей с глубокими полостями. Он основан на реальном проекте алюминиевой полости и имеет сверхглубокую и узкую структуру полости глубиной 113 мм, минимальной шириной 14,5 мм и внутренним радиусом скругления по углам 6 мм.

Обзор детали

• Материал:AL7075-T6
• Размеры:175,2 × 103 × 122,65 мм.
• Особенности:Глубокая внутренняя полость с максимальными размерами 146,2 × 83 мм. Самая узкая секция имеет размеры 14,5×14 мм. Все внутренние радиусы углов 6 мм, глубина 113 мм. Получающееся соотношение глубины к радиусу 19:1 классифицирует эту полость как сверхглубокую.

Основные проблемы

• Для инструмента диаметром 12 мм требуется вылет более 115 мм, что приводит к недостаточной жесткости (глубина инструмента превышает диаметр в 5 раз).
• Алюминиевая стружка накапливается быстрее, чем ее можно удалить, обволакивая инструмент и увеличивая риск поломки.
• Внутренние стенки должны соответствовать строгим требованиям к шероховатости поверхности Ra ≤ 0,8 мкм.
• Перпендикулярность стенки внутренней полости очень требовательна (требуется перпендикулярность 0,1 мм).

Как оптимизировать стратегии процессов?

Следующие стратегии были использованы для улучшения стабильности инструмента, удаления стружки и общей эффективности черновой обработки.

1. Оптимизация стратегии входа на рынок

Перед черновой обработкой предварительно просверлите направляющие отверстия, чтобы снизить нагрузку при резании при входе инструмента и облегчить эвакуацию стружки.

При этом на дне полости просверливалось два сквозных отверстия диаметром 22 мм. Эти отверстия служили точками входа для инструментов черновой обработки и каналами для удаления стружки. Инструмент для черновой обработки вошел вертикально вдоль оси Z через отверстия, а затем выполнил фрезерование в плоскости XY.

Этот подход позволил избежать большой «силы удара», которая обычно возникает, когда инструмент погружается непосредственно в материал заготовки вдоль оси Z. Эта проблема особенно актуальна при черновой обработке пазов.

2. Поэтапная черновая обработка

Была использована трехэтапная стратегия черновой обработки:

Этап 1. Высокоэффективная динамическая черновая обработка

Использовали цельную твердосплавную трехзубую концевую фрезу с волнистой поверхностью диаметром 18 мм (общая длина 100 мм, выступ 70 мм, глубина 0–65 мм). Для максимальной эффективности черновой обработки была применена адаптивная динамическая черновая обработка (S4000/F1800, глубина 25 мм, ширина 1,8 мм).

Этап 2:Стабильная глубокая черновая обработка пластинчатой фрезой

Антивибрационная удлиненная фреза диаметром 20 мм (общая длина 200 мм, длина вылета 130 мм, глубина обработки 65–113 мм), используемая для ступенчатой черновой обработки (S2800/F2000, глубина резания 0,5 мм, ширина резания 14 мм), направленная на стабильную и безопасную черновую обработку до дна полости.

Этап 3. Уточнение углов для обеспечения равномерного припуска на чистовую обработку

Вторичная черновая обработка с использованием удлиненной цельной твердосплавной концевой фрезы ∅12 мм (общая длина:200 мм; вылет:125 мм; глубина обработки:0–113 мм) на станке S3000/F1500 с глубиной резания 0,35 мм. Цель состоит в том, чтобы удалить большой угловой радиус, оставленный предыдущим черновым инструментом большого диаметра, чтобы все поверхности внутренних стенок полости имели одинаковый чистовой припуск 0,2 мм.

3. Выберите подходящий материал и геометрию инструмента

Выбор инструмента и стратегия черновой обработки имеют решающее значение для стабильной обработки глубоких полостей. В этом случае твердосплавные пластины типа YW превзошли пластины типа YG и YT по показателям рассеивания тепла и антиадгезии.

Оптимизация траекторий чистового инструмента

В таблице ниже показаны два типа траекторий чистового инструмента:

Слева:послойная обработка

Слева показан метод послойной отделки, при котором после завершения каждого слоя инструмент переходит на следующий уровень через вспомогательные пути входа и выхода. Плюсом этого метода является его «высокая эффективность», но недостатком — видимые метки входа и выхода на заготовке.

Из-за большого вылета инструмента отклонение кончика и основания инструмента неравномерно, что приводит к конической форме после вращения. Это приводит к появлению заметных следов слоев на внутренней стенке после отделки, а также к конусности, не соответствующей требованию перпендикулярности 0,1.

Справа:оптимизированная траектория инструмента (спиральная обработка за один проход)

Справа:оптимизированная траектория инструмента использует метод непрерывной резки за один проход (один вход и выход на протяжении всего процесса). Траектория инструмента идет по спирали вниз от начала до конца. Несмотря на то, что проблема отклонения инструмента остается, спиральная технология за один проход гарантирует, что кончик инструмента поддерживает постоянные условия резания с низкой нагрузкой и одинаковой скоростью.

В результате влияние отклонения инструмента не зависит от глубины обработки. Это позволяет внутренней стенке заготовки добиться однородной поверхности сверху вниз, а также соблюдать требования перпендикулярности чертежа.

Двухканальная система подачи охлаждающей жидкости высокого давления

Даже при наличии предварительно просверленных отверстий для отвода стружки при черновой обработке быстро образуется алюминиевая стружка. Непрерывная подача СОЖ имеет важное значение. Не только для охлаждения инструмента, но и для смывания стружки в режиме реального времени.

Для обеспечения надежного удаления стружки использовалась двухканальная система подачи СОЖ высокого давления с вертикальными и боковыми выходами.

(Примечание:на рисунке подача охлаждающей жидкости под высоким давлением из вертикального выпускного отверстия не активирована.)

Окончательные результаты и резюме

За счет использования стандартного высокопроизводительного оборудования и оптимизации технологических процессов мы добились:

• Сокращение номинального времени цикла на заготовку на 42 %.
• Увеличение срока службы инструмента на 125 %.
• Постоянная шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,8 мкм)
• Вертикальность (≤ 0,1 мм)

Основные выводы

• Стратегия пути инструмента так же важна, как и выбор инструмента.
• Сегментированная черновая обработка снижает вибрацию при большом вылете инструмента.
• Спиральная однопроходная чистовая обработка позволяет избежать нестабильности, вызванной чрезмерным вылетом инструмента.

В этом проекте объясняется, что обработка глубоких полостей не требует специальных инструментов или станков. При тщательном планировании, правильной последовательности и строгом контроле процесса высококачественные результаты могут быть достигнуты с использованием стандартных настроек.

Нужна помощь в оптимизации вашего следующего проекта обработки глубоких полостей? Свяжитесь с WayKen для получения экспертной поддержки.