Frezowanie HSC (High Speed Cutting) – z dużą prędkością do sukcesu

Frezowanie HSC, tzn. frezowanie z dużą prędkością, stanowi bardzo duży potencjał w obróbce CNC, ponieważ zapewnia krótsze czasy operacji, większą produktywność i nadal wysoką jakość. W tym artykule przyjrzymy się bliżej frezowaniu HSC i omówimy następujące zagadnienia:

Wyzwania frezowania HSC

Jednym z największych problemów podczas frezowania HSC jest występowanie wibracji. Jak powstają wibracje? Ponieważ każdy układ (fala, nośnik), który jest zdolny do drgań, ma własną częstotliwość drgań, to po wzbudzeniu (uderzeniu, odchyleniu) tak długo drga, dopóki nie zostanie zatrzymany z powodu utraty tłumienia (widełki stroikowe) lub tej samej wielkości częstotliwości o odwrotnym kierunku. Jeżeli jednak w regularnych odstępach czasu występuje wzbudzenie zewnętrzne i częstotliwość tego wzbudzenia leży w przybliżeniu w tym samym zakresie częstotliwości co drgania własne układu, te dwie częstotliwości nakładają się na siebie. Mówi się wtedy o tzw. rezonansie → układ wpada w drgania (wibruje).

Jakie są skutki wibracji podczas frezowania?

  •  głębokość obróbki ap nie jest stała → falista powierzchnia złej jakości
  •  brak stałej dokładności wymiarowej
  •  znaczne skrócenie okresu trwałości narzędzia
  •  wykruszanie się krawędzi skrawających
  •  możliwe poluzowanie mocowania detalu
  •  duże obciążenie prowadnic i łożysk maszyny

Zalety obróbki HSC

  • brak konieczności obróbki zgrubnej dzięki bardzo dużej objętości usuwanego materiału
  • bardzo dobra powierzchnia < 0,001 mm (Ra) → jakość szlifowania
  • redukcja czasu głównego do 50%
  • pozbawiona drgań obróbka dzięki wysokiej częstotliwości drgań własnych narzędzia → wykluczenie wibracji
  • brak odkształceń detalu spowodowanych naprężeniami termicznymi, ponieważ ciepło jest odprowadzane wraz z wiórem
  • bardzo opłacalna

Zakresy prędkości skrawania zależą od materiału

tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem

aluminium

brąz, mosiądz

żeliwo

stopy tytanu

stopy na bazie niklu

  1. Zakres konwencjonalny
  2. Zakres przejściowy
  3. Zakres HSC

Maksymalne parametry eksploatacji dla zminimalizowania zagrożeń

* średnica narzędzia w mm

  1. wg GW
  2. wg DIN EN ISO 15641

temperatura skrawania

miękkie aluminium

materiały nieżelazne

brąz

żeliwo

stal

Odprowadzanie temperatury wraz z wiórem jest podstawowym problemem w obróbce HSC. Zachowanie poszczególnych materiałów pod wpływem temperatury zostało przedstawione na powyższym wykresie. 

Ustalenie optymalnych parametrów skrawania dla frezowania HSC

W naszym teście zużycie wzrasta gwałtownie przy prędkości skrawania ok. 600 m/min. Zgodnie z tą serią testów górną granicą dla frezów promieniowych z Z=2 i Z=4 jest prędkość skrawania 580 m/min.

Wybór szerokości skrawania podczas frezowania HSC ma decydujący wpływ na większą trwałość narzędzia. W przypadku frezowania HSC wykazano, że lepiej jest pracować z małym dosuwem niż starać się uzyskać jak największą ilość usuwanego materiału, podobnie jak w przypadku frezowania zgrubnego. Ilość materiału osiąga się to nie przez dosuw, lecz przez maksymalną możliwą do uzyskania prędkość skrawania.

Amortyzacja – Czy zakup obrabiarki z wrzecionem wysokiej częstotliwości jest opłacalny?

Porównanie amortyzacji pokazuje, że pomimo wyższych kosztów nabycia obrabiarki z wrzecionem o wysokiej częstotliwości, obróbka jest znacznie tańsza, ponieważ jest bardziej ekonomiczna.

Szczególnie małe przedsiębiorstwa, nastawione na elastyczną produkcję średniej wielkości detali, mogą osiągnąć duże korzyści dzięki obróbce HSC. Przy średniej oszczędności czasu, wynoszącej 50%, prowadzi to również do oszczędności kosztów produkcji na poziomie ok. 25%-27%.

Co zasługuje na uwagę w temacie frezowania HSC

Termin frezowanie HSC lub wiercenie HSC należy definiować w odniesieniu do materiału. Oczywiste jest, że zakres prędkości skrawania dla aluminium musi być inny niż np. dla stali lub materiałów specjalnych. Ograniczenie prędkości skrawania można tu porównać z frezowaniem konwencjonalnym.

Należy stwierdzić, że wraz ze wzrostem prędkości skrawania siły skrawania najpierw gwałtownie maleją, a następnie ponownie gwałtownie rosną.

Należy również zauważyć, że przy bardzo wysokich prędkościach skrawania, wynoszących ok. 130.000 m/min, zużycie narzędzia wzrasta ponadproporcjonalnie. Jeżeli jednak pozostanie się w zakresie prędkości skrawania do ok. 5000 m/min, zużycie na powierzchni przyłożenia początkowo – w zależności od materiału – gwałtownie wzrasta, a następnie przez pewien czas utrzymuje się na stałym poziomie.

Godne uwagi jest również to, że wraz ze wzrostem prędkości skrawania siła bierna (siła reakcji na siłę nacisku frezu) może zostać zredukowana nawet o 70%. Jest to szczególnie istotne w przypadku profili o bardzo cienkich ściankach oraz przy obróbce, mającej na celu uzyskiwanie powierzchni zbliżonej do szlifowanej.

W obróbce aluminium okazuje się, że specyficzna objętość skrawanego materiału jest maksymalna przy prędkościach skrawania od 3100 do 4700 m / min. Zwiększenie objętości skrawania o około 35% pozwoliło uzyskać powierzchnię o średniej arytmetycznej rzędnych profilu chropowatości (Ra) 1 μm. Optymalne wartości są jednak mocno uzależnione od stopu.

Właściwe narzędzie do odpowiedniego materiału podczas frezowania HSC

Frezowanie HSC aluminium

Do obróbki aluminium wymagane jest narzędzie spiralne z dużymi rowkami odprowadzającymi wióry. Tutaj korzystne jest zastosowanie 2-ostrzowego frezu o skoku spirali ok. 45°. Narzędzie powinno mieć kąt natarcia 15°-20° i kąt przyłożenia bocznego 10°-12°. Jeżeli używana jest obrabiarka o mniejszej mocy wrzeciona, małych posuwach lub z głębokimi rowkami, preferowane jest narzędzie spiralne o pojedynczym ostrzu. Przy średniej prędkości skrawania ok. 2000 m/min, łatwo można osiągnąć trwałość (wyrażoną odległością), wynoszącą 500 m.

Frezowanie HSC miedzi

Przy obróbce miedzi i jej stopów należy stosować takie same narzędzia, jak przy obróbce aluminium. Wartości posuwu na ząb wynoszą od 0,02 do 0,4 mm w zależności od składu stopu.

Czysta miedź powinna być frezowana tylko przy użyciu precyzyjnie szlifowanej krawędzi skrawającej, aby uniknąć narostów.
W tym przypadku frezowanie współbieżne jest bardziej korzystne niż frezowanie przeciwbieżne. Korzystne jest jednak tutaj zastosowanie narzędzi ceramicznych, ponieważ można osiągnąć do 10 razy większe prędkości skrawania.

Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem

Obróbka HSC nadaje się szczególnie do obróbki tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem, ponieważ siły skrawania bardzo maleją wraz ze wzrostem prędkości skrawania, a duże wartości posuwu przeciwdziałają rozwarstwieniu strefy krawędziowej. Dzięki odprowadzaniu energii skrawania z wiórem, materiał podstawowy poddawany jest minimalnym obciążeniom termicznym.

Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym (CFK) i tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem szklanym (GFK)

Jeżeli to możliwe, należy stosować frezowanie przeciwbieżne, w kierunku poprzecznym do włókien, a nie równolegle do nich. Zadowalające lub dobre wyniki dają jednak tylko narzędzia z diamentu polikrystalicznego. Optymalny zakres skrawania wynosi ok. vc = 4500 m/min i vf do 30 m/min. Narzędzie powinno mieć kąt natarcia ok. 5° i kąt przyłożenia bocznego 10°.

Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem aramidowym (AFK)

Ze względu na konieczność cięcia włókien przewodzących siły, preferowane są ostre krawędzie skrawające narzędzi o geometrii podobnej do tej stosowanej w obróbce metali lekkich. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy użyciu narzędzi, które można zaklasyfikować do grupy ISO K. Optymalny zakres skrawania występuje przy prędkości skrawania 2000 m/min do 3000 m/min i prędkości posuwu 10 m/min do 15 m/min.

Stal

Przy frezowaniu stali z dużymi prędkościami, przy prędkości skrawania 750 m/min można uzyskać trwałość (wyrażoną odległością), wynoszącą 20-25 m. Zakresy prędkości skrawania od 500 m/min do 1500 m/min są całkiem realne przy zastosowaniu frezów VHM klasy ISO P. Frezowanie HSC sprawdziło się szczególnie w budowie form i narzędzi, gdzie skomplikowane kształty są wykonywane w procesach frezowania metodą wierszowania, głównie z geometrią kulistą.

Tutaj, dzięki wysokim prędkościom posuwu i skrawania, można osiągnąć ogromną redukcję czasu i poprawę jakości powierzchni. Okazało się, że przy stałym kącie natarcia (0°) wraz ze wzrostem kąta przyłożenia bocznego i zwiększeniem posuwu następuje zwiększenie trwałości.

Optymalny kąt przyłożenia bocznego wynosi ok. 12°-20°. Narzędzia z prostymi rowkami, które skrawają przed lub nad środkiem, okazały się optymalne w budowie narzędzi i form ze względu na stabilność. Należy dążyć do posuwów od 0,3 do 0,7 mm, frezowania współbieżnego oraz
skrawania na sucho, przy czym prędkość skrawania powinna wynosić od 500 m/min do 1500 m/min.

Żeliwo

Obróbka żeliwa jest możliwa przy użyciu narzędzi pełnowęglikowych, których kąt natarcia powinien wynosić od 0° do 6°, a kąt przyłożenia 12°. Bezwzględnie konieczne jest, aby narzędzie miało powłokę. W tym przypadku należy pamiętać, aby poprzez miękkie wejście i wyjście do i z materiału zapewnić możliwie najmniejsze tworzenie się wgłębień i poprzecznych pęknięć powłoki.

Przy prędkościach skrawania 1000 m/min objętość skrawanego materiału, np. dla GG 25, można zwiększyć dziesięciokrotnie. Trwałość narzędzia wynosi około 20 m na krawędź skrawającą, a powierzchnia odpowiada jakości powierzchni szlifowanej. Trwałość narzędzia można zwiększyć, jeśli posuw zostanie dobrany stosunkowo wysoko, tzn. posuw na ząb wynosi ok. 0,3 do 0,4 mm.

Grafit

W obróbce grafitu zaletą są nie tylko małe siły skrawania, ale również materiał wiórów, mający postać mąki. Materiał wiórów powinien być usuwany z procesu skrawania tak szybko i całkowicie jak to możliwe, ponieważ trwałość narzędzia zależy w dużej mierze od ewakuacji mączki wiórowej. Aby przeciwdziałać efektowi szmerglowania, nasze frezy grafitowe są pokryte powłoką diamentową.

Ta ultratwarda powłoka optymalnie przeciwdziała zużyciu poprzez starcie, co z kolei prowadzi do zwiększenia trwałości narzędzia. W celu lepszego odprowadzania wiórów obróbka powinna być prowadzona w formie frezowania współbieżnego.

Frezowanie HSC vs. frezowanie konwencjonalne

Przykład

  Frezowanie HSC
(czerwone)
Frezowanie konwencjonalne (zielone)
Narzędzie VHM, 2 zęby Ø 3,0 mm
Zadanie rowek 3 mm x 700 mm x 6 mm
Liczba cięć 3 3
Posuw
na ząb (mm)
0,03 0,03
Liczba obrotów (obr./min) 80.000 5.000
Prędkość skrawania (m/min) 753 47
Prędkość posuwu
(mm/min)
4.800 300
Trwałość (m) 25 37
Czas (s) 25,8 421,8