Obróbka szybkościowa – narzędzia

głowica frezująca

Narzędzia skrawające w obróbkach szybkościowych są równie istotne jak obrabiarka. Postęp w materiałach narzędziowych, konstrukcji oprzyrządowania jest jednym z filarów obróbki szybkościowej (HSM, HSC). Charakterystyka obróbki szybkościowej nakłada wymagania względem narzędzi.

Duże prędkości obrotowe wrzeciona, charakterystyczne dla obróbki szybkościowej, powodują, iż najbardziej optymalne są oprawki narzędziowe systemów HSK-A, HSK-E (DIN 69893). Wynika to z tego, że kołnierz oprawki narzędziowej opiera się o czoło wrzeciona. Zapewnia to ustalenie narzędzia w osi wrzeciona. Wzrost sił odśrodkowych w trakcie obróbki nie spowoduje przemieszczeń wzdłuż osi wrzeciona.

Bardzo istotnym aspektem jest wyważenie oprawki narzędziowej. Stabilność obróbki wymaga wyważenia oprawki wraz z narzędziem. Kwestia gospodarki narzędziowej, w tym przygotowania i uzbrojenia obrabiarki do pracy ma tu niemałe znaczenie. Obecnie uwzględnianie w programach i systemach CAM oraz tzw. obróbce wirtualnej (ang. Virtual Machining) zagadnień dynamicznych stanowi bardzo ważny obszar prac badawczych. Interakcje między narzędziem a przedmiotem obrabianym w ramach UOPN (Układ Obrabiarka, Przedmiot, Narzędzie) mogą spowodować wystąpienie drgań samowzbudnych (brak stabilności obróbki). Znaczenie może mieć konkretna wartość wysunięcia narzędzia z oprawki narzędziowej. Pracownik przygotowujący narzędzia musi zachować dyscyplinę i reżim w tym względzie. Kontroli poddawane jest bicie promieniowe oprawki wraz z narzędziem.

W zależności od stopnia niewyważenia oprawki narzędziowej z narzędziem należy zastosować ograniczenie dostępnej prędkości obrotowej wrzeciona.

Brak wyważenia oraz niekoncentryczne narzędzia prowadzi z reguły do:

  • obniżenia jakości powierzchni obrobionej, włącznie z wystąpieniem braku produkcyjnego,
  • skrócenia okresu trwałości ostrza narzędzia skrawającego,
  • utraty stabilności przebiegu procesu obróbki,
  • szybszego zużywania i/lub uszkodzenia wrzeciona obrabiarki.

Nie wyważenie jest efektem przesunięcia masy względem osi wrzeciona (środek ciężkości zespołu oprawki narzędziowej i narzędzia nie znajduje się na osi wrzeciona). Taki stan powoduje wystąpienia siły odśrodkowej, której wartość rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej. Podając za źródłem [GF Machining Solutions]:

Takie samo niewyważenie generuje siłę odśrodkową 441 razy większą w przypadku wrzeciona obracającego się z prędkością obrotową 42.000 obr/min niż gdy wrzeciono obraca się z prędkością 2.000 obr/min (21²=441).

Porównanie oprawek narzędziowych HSK-A i HSK-E jednoznacznie wskazuje na oprawkę HSK-E jako konstrukcyjnie bardziej optymalną w zagadnieniu wyważenia. Oprawki z tuleją zaciskową mają dobre właściwości tłumienia drgań. Oprawki termokurczliwe zapewniają wysoką sztywność i powtarzalność zamocowania. Cechują się bardzo niską wartością bicia promieniowego (poniżej 0,003 mm) i przenoszą bardzo duże wartości momentu obrotowego. Jednak nie mają dobrych właściwości tłumienia drgań.

Geometria ostrzy płytek skrawających czy narzędzi monolitycznych ma również wpływ na występowanie drgań w procesie obróbki. W tym aspekcie cechy geometryczne narzędzia powinny korzystnie wpływać na utrzymanie stałych sił w procesie skrawania:

  • jak najlepsza koncentryczność – równomierne obciążenie ostrzy narzędzia,
  • duży współczynnik nakładania się krawędzi tnących w celu wyrównania rozkładu sił – duży kąt pochylenia rowka wiórowego i duża liczba ostrzy,
  • krótka część robocza – lepsza sztywność,
  • przekrój poprzeczny rdzenia narzędzia opracowany tak by minimalizować koncentrację naprężęń w dnie rowka wiórowego.

Przy obróbce szybkościowej materiałów twardych następuje wzrost oporów skrawania. Zwiększają siły oddziałujące na pojedyncze ostrze narzędzia. Odpowiednia geometria ostrza powinna zwiększać stabilność obróbki. Kąt przyłożenia nie może ulegać zmniejszeniu. Wynika to z konieczności uwzględnienia zwiększonej temperatury w strefie obróbki, a więc większego ciepła powstałego w wyniku tarcia przy dużych prędkościach skrawania. Stabilność pracy ostrzy narzędzia można uzyskać poprzez zmniejszenie kąta natarcia, nawet poprzez stosowanie ujemnego kąta natarcia.

W przypadku frezów kulistych promień frezu kształtowany jest w obróbce wykańczającej poprzez szlifowanie. Pozwala to na minimalizowanie tarcia i natychmiastowemu nagrzewaniu się narzędzia, a zatem i przeciwdziała szybszemu zużyciu narzędzia. Wykonanie frezu kulistego do obróbki wykończeniowej z wysoką dokładnością ma zasadniczy wpływ na jakość i dokładność geometryczną powierzchni obrabianych.

Kwestia samych materiałów narzędziowych to obszar nieustających innowacji. Generalna zasada mówi, że materiał narzędziowy musi być twardszy niż materiał obrabiany. Oprócz diamentu mamy do czynienia z dwoma bardzo twardymi materiałami wykorzystywanymi w produkcji narzędzi: sześcienny azotek boru i diament polikrystaliczny. Zarówno azotek boru jak i diament krystaliczny są wykorzystywane do otrzymywania powłok na głównym materiale narzędziowym jak i wytwarzania płytek skrawających jako materiały bazowe. Oba te materiały to materiały polikrystaliczne. Dzięki nim możliwe jest uzyskiwanie materiałów:

  • karbonadowych, utworzonych z polikrystalicznego diamentu (PKD),
  • kompozytowych, utworzonych na bazie spiekanego azotku boru o sieci regularnej.

Propagacja termiczna, ciepło powstające w procesie obróbki oraz wymagania: odporności na ścieranie, odporności na utlenianie czyni drobnoziarniste węgliki wolframu za dobry materiał bazowy dla narzędzi dla obróbki szybkościowej. Konieczne jest stosowanie dodatkowych pokryć nadających narzędziu ostatecznych właściwości. Klasyczne już pokrycia TiN, TiCN, TiAlCN nie są już wstanie zaspokoić oczekiwań. Stąd wykorzystywane są nowe wielokomponentowe pokrycia (duża zawartość azotku aluminium z dodatkami itru, wanadu, czy tantalu). Itr jest pierwiastkiem ziem rzadkich i nie występują jego znaczne złoża. To metal, którego zastosowanie może być związane ze stabilizacją struktury sześciennej. Obecnie najlepsze wyniki osiąga się stosując pokrycia nanowarstwowe z diamentu polikrystalicznego (PKD) i sześciennego azotku boru (CBN).

Źródła:

%d bloggers like this: