HSC frézování (High Speed Cutting) - vysokorychlostním frézováním k úspěchu
HSC frézování, tedy frézování s vysokou rychlostí představuje mimořádně velký potenciál při obrábění na CNC strojích, jelikož s sebou přináší kratší průběhové časy, rostoucí produktivitu a přesto i vysokou kvalitu. V tomto příspěvku se budeme zabývat poněkud zevrubněji HSC frézováním a zodpovíme následující otázky:
Výzvy při HSC frézování
Jedním z největších problémů při HSC frézování je výskyt vibrací. Jakým způsobem vznikají? Jelikož má každý systém (hřídel, držák), který může vykazovat vibrace, svoji vlastní frekvenci, nepřestává, po příslušném podnětu (náraz, vychýlení) vibrovat tak dlouho, než se v důsledku poklesu tlumení (ladička) nebo momentálně stejně vysoké negativní frekvence zastaví. Pokud ovšem dochází zvenčí v rovnoměrných intervalech k podnětům a frekvence těchto podnětů se nachází přibližně ve stejném frekvenčním pásmu jako jsou vlastní vibrace systému, obě frekvence se překrývají. Pak hovoříme o rezonančním jevu → Systém začíná oscilovat (vibrovat).
K čemu dochází v důsledku vibrací při frézování?
- Hloubka obrábění ap není konstantní → nekvalitní, vlnitý povrch
- není zachována konstantní rozměrová stálost
- podstatné zkrácení životnosti
- vylamování řezných hran
- eventuální uvolnění upnutí obrobku
- značné zatěžování vodítek i ložisek stroje
Výhody HSC obrábění
- hrubování již není nutné, jelikož se odebírá velký objem třísek
- velmi kvalitní povrch < 0,001 mm (Ra) → kvalita jako po broušení
- snížení hlavního času až o 50 %
- obrábění bez vibrací v důsledku vysoké vlastní frekvence nástroje → zabránění vibracím
- v důsledku tepelného pnutí nedochází k deformaci obrobku, jelikož se teplo odvádí společně s třískou
- nákladově velmi efektivní řešení
Rozsahy řezných rychlostí závisí na materiálu
plastový kompozitní materiál
hliník
bronz, mosaz
litina
slitiny titanu
slitiny na bázi niklu
- Oblast konvenčního obrábění
- Přechodová oblast
- Oblast HSC obrábění
Maximální provozní ukazatele pro minimalizaci rizik
* průměr nástroje v mm
- dle GW
- dle EN ISO 15641
Teplota při obrábění
měkký hliník
neželezné kovy
bronz
litina
ocel
Odvádění teploty společně s třískou je primárním problémem HSC obrábění. Ve výše uvedeném diagramu popisujeme tepelné vlastnosti jednotlivých materiálů.
Stanovení optimálních řezných parametrů pro HSC frézování
V rámci našeho testu skokově roste opotřebení při řezné rychlosti cca 600 m/min.. Po ukončení této série testů je pro rádiusové frézy se Z=2 a Z=4 horní mezí řezná rychlost 580 m/min..
Správná volba šířky řezu při HSC frézování je naprosto rozhodující pro dosažení delší životnosti. Při HSC frézování se ukazuje, že je lepší pracovat s menším přísuvem, než se snažit dosáhnout co největšího objemu odebíraného materiálu, jak tomu je při hrubovacím frézování. Dosáhne se ho nikoliv pomocí přísuvu, nýbrž prostřednictvím maximální dosažitelné řezné rychlosti.
Amortizace - Vyplatí se pořízení stroje s vysokofrekvenčním vřetenem?
Ze srovnání amortizace vyplývá, že je i přes vyšší náklady na pořízení frézky s vysokofrekvenčním vřetenem obrábění levnější, jelikož je efektivnější.
Právě pro malé podniky, které se orientují na flexibilní obrábění obrobků střední velikosti, může HSC obrábění představovat velké výhody. V případě průměrné časové úspory činící 50 % to vede i k úspoře výrobních nákladů v rozmezí od cca 25 % - 27 %.
Důležité informace o problematice HSC frézování
Pojem HSC frézování nebo i HSC vrtání se musí jistě definovat s ohledem na konkrétní materiál. Je jasné, že se hodnoty HSC musí v případě obrábění hliníku pohybovat v jiném rozsahu řezných rychlostí než např. při obrábění ocelí nebo speciálních materiálů. Vymezení řezné rychlosti se zde musí porovnávat s konvenčním frézováním.
Musíme konstatovat, že řezné síly se vzrůstající řeznou rychlostí nejprve značně klesají, aby pak mohly opět velmi razantně narůstat.
Musíme rovněž poznamenat, že se v případě mimořádně vysokých řezných rychlostí, cca 130.000 m/min., neúměrně zvyšuje opotřebení. Zůstaneme-li ovšem v rozsahu řezných rychlostí do cca 5000 m/min., pak opotřebení hřbetu nejprve, v závislosti na materiálu, značně stoupá, a poté zůstává dlouhou dobu konstantní.
Pozoruhodná je rovněž skutečnost, že lze při rostoucí řezné rychlosti snížit pasivní sílu (reakční síla k frézovací síle) až o 70 %. To má zvláštní význam u extrémně tenkostěnných profilů i pro dosažení kvality srovnatelné s broušeným povrchem.
Při obrábění hliníku se ukazuje, že specifický objem odebíraného materiálu vykazuje při řezných rychlostech od 3100 do 4700 m/min. maximum. Výsledkem úběru třísek zvýšeného o cca 35 % bylo dodatečné vytvoření povrchu s hodnotou drsnosti činící 1μm. Optimální hodnoty jsou ovšem značně závislé na slitině.
Správný nástroj pro konkrétní materiál při HSC frézování
HSC frézování hliníku
Při obrábění hliníku se musí používat nástroj s drážkami ve šroubovici s velkými drážkami pro odvádění třísek. Zde se ukazuje, že je výhodné používání dvoubřitého nástroje se stoupáním šroubovice cca 45°. Nástroj by měl vykazovat úhel čela 15°–20° a boční úhel zábřitu 10°–12°. Je-li k dispozici stroj s menším výkonem vřetena, s malými posuvy nebo hlubokými drážkami, pak se musí upřednostnit jednobřitý nástroj s drážkami do šroubovice. V případě průměrné řezné rychlosti cca 2000 m/min. lze snadno dosáhnout životnosti činící 500 m.
HSC frézování mědi
Při obrábění mědi a slitin mědi se musí používat stejné nástroje jako v případě obrábění hliníku. Posuv na zub se pak, v závislosti na složení slitiny, pohybuje mezi 0,02 až 0,4 mm.
Čistá měď by se měla za účelem zabránění vytváření nárůstků obrábět pouze pomocí přesně vybroušeného břitu nástroje.
Sousledné frézování se musí v tomto případě upřednostnit před nesousledným frézováním. Zde je výhodné používat keramické nástroje, jelikož lze docílit až 10násobných řezných rychlostí.
Plastové kompozitní materiály
Pro obrábění plastových kompozitních materiálů je zvlášť vhodné HSC obrábění, jelikož při rostoucí řezné rychlosti rychle klesají řezné síly a pomocí velkých posuvů se zabrání delaminaci v okrajových oblastech. Díky odvádění energie vznikající při obrábění prostřednictvím třísek podléhá základní materiál pouze minimálnímu tepelnému zatížení.
CFK a GFK materiály
Dle možností by se mělo preferovat nesousledné frézování s obráběním proti vláknům a nikoliv paralelně s vlákny. Uspokojivé výsledky obrábění lze ovšem očekávat pouze při používání polykrystalických diamantových nástrojů. Optimální rozsah obrábění činí cca vc = 4500 m / min a vf až 30 m / min. Nástroj by měl vykazovat úhel čela cca 5° a boční úhel zábřitu 10°.
Materiály vyztužené aramidovými vlákny
Jelikož se musí přerušovat silová vlákna, je třeba upřednostňovat ostré břity s podobnou geometrii, se kterou se setkáváme při obrábění lehkých kovů. Nejlepších výsledků se dosahuje pomocí nástrojů, které lze zařadit do skupiny ISO K. Optimálního rozsahu obrábění se dosáhne při řezné rychlosti od 2000 m/min. do 3000 m/min. a rychlosti posuvu
10 m/min až 15 m/min.
Ocel
Při vysokorychlostním frézování oceli lze v případě řezné rychlosti 750 m/min. dosahovat životnosti
20–25 m. Rozsahy řezných rychlostí od 500 m/min. do 1500 m/min. lze vesměs realizovat pomocí TK fréz ze skupiny ISO P. Metoda HSC frézování se osvědčila zejména v oblasti výroby forem a nástrojů, kdy se obrábějí komplikované tvary metodou řádkového frézování většinou pomocí kuličkové geometrie břitu.
Zde lze prostřednictvím vysokých posuvů a řezných rychlostí dosáhnout enormní úspory času a optimální kvality povrchu. Ukázalo se, že se v případě konstantního úhlu čela (0°), zvětšujícího se bočního úhlu zábřitu a zvyšujícího se posuvu prodlouží životnost.
Optimální boční úhel zábřitu se ustálil na cca 12°–20°. Nástroje s přímým drážkováním, s břitem do středu, popř. přes střed, se díky své stabilitě ukázaly jako optimální řešení pro oblast výroby forem a nástrojů. Je třeba se snažit o dosažení posuvů od 0,3 do 0,7mm, sousledné frézování i
o frézování za sucha, přičemž by se řezná rychlost měla pohybovat mezi 500 m/min. a 1500 m/min..
Litina
Litinu lze obrábět pomocí TK nástrojů, jejichž úhel čela by se měl pohybovat od 0° do 6° a boční úhel zábřitu by měl činit 12°. Nástroje musí být bezpodmínečně opatřeny povlakem. Zde se musí dbát na to, aby se prostřednictvím měkkého zajíždění a vyjíždění do, popř. z materiálu co nejvíce minimalizovalo vytváření hřebenových a příčných trhlin v povlaku.
Při řezných rychlostech 1000 m/min. lze zvýšit objem materiálu odebraného za jednotku času, např. u GG 25, o koeficient 10. Životnost se pohybuje kolem 20 m na břit a povrch odpovídá kvalitě broušeného povrchu. Životnost lze zvýšit tehdy, když se zvolí relativně vysoký posuv, tzn. posuv na zub cca 0,3 až 0,4 mm.
Grafit
Výhodou při obrábění grafitu jsou nejenom nízké řezné síly, nýbrž i grafitový prach, který se vytváří. Grafitový prach by se měl co nejrychleji a bezezbytku odstraňovat z procesu obrábění, jelikož životnost nástrojů ve značné míře závisí na rychlosti odstraňování grafitového prachu. Aby se zabránilo abrazivnímu efektu, naše frézy na obrábění grafitu jsou opatřené diamantovým povlakem.
Tato mimořádně tvrdá vrstva optimálním způsobem odolává abrazivnímu opotřebení, což opět vede k prodloužení životnosti nástroje. Za účelem lepšího odvádění třísek by se mělo preferovat sousledné frézování.
HSC vs. konvenční frézování
Příklad
| HSC frézování (červená) |
Konvenční frézování (zelená) | |
|---|---|---|
| Nástroj | TK, 2 zuby Ø 3,0 mm | |
| Operace | drážkování 3 mm x 700 mm x 6 mm | |
| Počet řezů | 3 | 3 |
| Posuv na zub (mm) |
0,03 | 0,03 |
| Otáčky (ot./min.) | 80.000 | 5.000 |
| Řezná rychlost (m/min) | 753 | 47 |
| Rychlost posuvu (mm/min) |
4.800 | 300 |
| Životnost (m) | 25 | 37 |
| Hlavní čas (s) | 25,8 | 421,8 |
