Mechanické zatížení při frézování

První článek byl zaměřen na základní koncepty a vztahy mezi geometrií nástroje, velikostí posuvu a mechanickým zatížením při soustružnických operacích. Tento článek analyzuje vliv polohy řezného nástroje a jeho dráhy na mechanické zatížení při frézování. Zatímco při soustružení se generuje stálé mechanické zatížení působící na jediný břit nástroje, v případě frézování je více řezných hran vystaveno rychle se měnícímu střídavému zatěžování. Pro úspěšné frézování je proto potřeba vzít v úvahu řadu faktorů.

Neustále se měnící zatížení

Prvním a nejzákladnějším krokem při plánování operace frézování je výběr vhodné frézy a břitových destiček nebo tvaru řezných hran pro vytvoření požadovaného tvaru. Dodavatelé nástrojů nabízejí čelní frézy, válcové stopkové frézy, kotoučové frézy a další řezné nástroje s geometriemi pro hrubování nebo obrábění na čisto, určené pro téměř jakýkoli tvar obrobku.

Ať použijete jakoukoli frézu, při obrábění její břity opakovaně vstupují do materiálu obrobku a opět z něj vystupují. Zatížení zubů frézy se mění z nulového před vstupem až do maximálních hodnot během řezu a zpět na nulové při výstupu. Cílem je zmírnit proměnlivé zatížení při frézování a maximalizovat tím životnost nástroje, produktivitu a spolehlivost procesu. Klíčovými prvky pro dosažení tohoto cíle jsou poloha řezného nástroje, technika vstupu a výstupu a řízení tloušťky třísky.

Vstup do obrobku

Zatížení řezných nástrojů při frézování je z větší části určeno způsobem, jakým nástroj a jeho břity vstupují do obrobku. Při konvenčním nesousledném frézování se řezný nástroj otáčí proti směru posuvu obrobku. Při sousledném frézování se nástroj otáčí ve směru posuvu.

Při nesousledném frézování vstupují řezné hrany do obrobku s minimální tloušťkou třísky a vystupují s maximální tloušťkou třísky. A naopak, při sousledném frézování je na vstupu do obrobku tloušťka třísky nejvyšší a při výstupu se snižuje až na nulovou. V obou případech vzniká klínovitá tříska.

Dodavatelé nástrojů doporučují pro většinu aplikací sousledné frézování, protože minimalizuje odírání a tření, ke kterému jinak dochází při nesousledném frézování, kdy je na vstupu tloušťka třísky nulová. Při sousledném frézování s maximální tloušťkou třísky na vstupu navíc dochází k přenosu tepla do třísky a tím ochraně obrobku i řezného nástroje. Třísky jsou odváděny směrem za nástroj a minimalizuje se riziko jejich opětovného přeřezávání.

V určitých případech však bývá preferováno nesousledné frézování. Čelní frézování souslednou metodou vytváří tlak do obrobku, který může u starších manuálně ovládaných strojů způsobovat zpětné rázy. Nesousledné frézování, při kterém řezný nástroj obrobek „vytahuje“, může být lepší volbou na méně stabilních strojích, zvláště v případě hlubokého řezu. Nesousledné frézování může být také efektivní při obrábění nerovných povrchů nebo tenkostěnných obrobků, kdy postupné vnikání do materiálu obrobku chrání tvrdý a křehký materiál břitu před poškozením nárazem. Na druhou stranu může nadměrné tření a teplo vznikající při mělkém vstupu nesousledného frézování negativně ovlivňovat nástroj. Nerovnoměrná síla na břitu nástroje může způsobovat vylamování hrany a zvyšovat namáhání. Může být poškozován také povrch obrobku, protože třísky dopadají před nástroj a mohou se znovu dostávat do řezu.

Velká tloušťka třísky na vstupu do obrobku při sousledném frézování vystavuje nástroj značnému mechanickému namáhání, pro většinu řezných materiálů to však nepředstavuje velký problém. Moderní nástrojové materiály, včetně karbidů, keramiky a rychlořezné oceli, jsou vyrobeny metodou práškové metalurgie a mají dobrou pevnost v tlaku.

Při rozhodování o poloze řezného nástroje a technice vstupu by obráběči měli vzít v úvahu, že je vždy výhodnější umístění řezného nástroje na stranu od osy obrobku. V centrální poloze působí síly vznikající při sousledném i nesousledném frézování a jejich společné působení může vyvolávat nestabilitu a vibrace.

Techniky výstupu

Způsob, jakým řezná hrana vystupuje z obrobku, je stejně důležitý, jako vstup. Výsledky experimentů potvrzují jasný vztah mezi polohou řezného nástroje na výstupu a životností řezné hrany. Pokud je výstup příliš náhlý nebo nerovnoměrný, řezná hrana se bude vylamovat nebo praskat. Naopak, pozornost věnovaná výstupu nástroje může životnost nástroje prodloužit až desetinásobně. Kritickou hodnotou je výstupní úhel, definovaný jako úhel mezi radiální osou řezného nástroje ve směru posuvu a výstupním bodem řezné hrany. Výstupní úhel může být záporný (nad radiální osou řezného nástroje) nebo kladný (pod radiální osou). Poškození hrany nástroje je více patrné u výstupních úhlů přibližně mezi mínus 30 stupni a plus 30 stupni (viz obrázek 3/ 3). Šířka obrobku daná součtem těchto úhlů je přibližně polovinou průměru frézy.

Dalším způsobem, jak zmírnit proměnlivé namáhání řezných hran frézy, je maximální zvýšení počtu břitů v záběru. Při použití menšího průměru frézy, malých zubových roztečí a větší radiální hloubky řezu se do záběru dostává větší počet zubů a rozložení řezných sil je rovnoměrnější.

Tloušťka třísky

Tloušťka třísky vznikající při frézování má značný vliv na řezné síly, řeznou teplotu, životnost nástroje, utváření třísky a její odvod. Pokud je tříska příliš silná, vzniká velké namáhání, které způsobuje vylamování nebo praskání řezných hran. Je-li tříska příliš tenká, probíhá řez na menší ploše řezné hrany a zvýšené tření vytváří větší teplo, které způsobuje rychlé opotřebení nástroje.

Tloušťka třísky se měří ve směru kolmém k efektivní řezné hraně. Jak bylo uvedeno výše, tloušťka třísky vytvářené při frézování se mění podél dráhy řezné hrany  v obrobku. Pro účely programování zavedli dodavatelé nástrojů koncept „střední tloušťky třísky“. Střední tloušťka průměrná hodnota vypočtená z největší a nejmenší tloušťky třísky. Výrobci nástrojů udávají hodnoty střední tloušťky třísky pro specifické geometrie nástroje, při kterých je dosahováno nejvyšší produktivity a životnosti nástroje.

Obráběči tato data používají pro určení takového posuvu, který zajistí dodržení doporučené střední tloušťky třísky. Faktory, které určují správný posuv, jsou radiální záběr frézy, její průměr, poloha a úhel nastavení hlavního ostří. Radiální záběr je definován jako poměr radiální hloubky řezu (ae) a průměru frézy (Dc). Čím větší je radiální záběr frézy, tím menší bude posuv potřebný pro vytváření požadované tloušťky třísky. Stejně tak musí být pro dosažení stejné tloušťky třísky při menším záběru frézy posuv vyšší. Posuv také ovlivňuje úhel nastavení hlavního ostří. Maximální tloušťka třísky vzniká při úhlu 90 stupňů; menší úhly tedy vyžadují vyšší posuv, aby bylo dosaženo stejné tloušťky třísky.

Ostré řezné hrany vytvářejí menší řezné síly, jsou ale křehčí než honované nebo zkosené hrany. Mechanické namáhání řezné hrany je nutné omezit, aby nedocházelo k vylamování a praskání, proto se při použití ostrých řezných hran doporučuje používat menší střední tloušťky třísky. V tomto případě určuje použitá geometrie řezné hrany správnou střední tloušťku třísky a obráceně.

Obráběči mohou tyto principy a metody využít při základních druzích frézování pro ovlivnění proměnlivého zatížení fréz. Vzhledem k tomu, že jsou obráběné součásti stále tvarově složitější – dokonce i na úrovni jednoduchého frézování do rohů – jsou manuální změny posuvu pro udržení doporučené střední tloušťky třísky prakticky neproveditelné. Pro tyto a další případy, včetně komplexního 5osého frézování, nabízejí vývojáři softwaru CAM a moderních CNC systémů nové techniky obrábění, například trochoidní frézování a metodu peel-milling pro obrábění koutů, a programy pro udržení konstantního záběru nástroje, jakými jsou Dynamic Milling, Volumill nebo Adaptive Clearing. Tento pokrok v oblasti softwaru a řízení strojů představuje moderní evoluci základních technik řízení vstupu a výstupu nástroje a tloušťky třísky, které slouží pro řízení vlivů proměnlivého zatížení řezných nástrojů.

Závěr

Výrobci využívají frézky a frézovací nástroje již více než století a produkují nesčíslné množství vysoce kvalitních součástí. V průběhu této doby se základní proces frézování ve smyslu použití rotačního nástroje pro obrábění obrobku nezměnil. A stejná zůstává také povaha proměnlivého zatížení během řezného procesu.

Frézky a frézy se vyvinuly v neuvěřitelném rozsahu, avšak v mnoha případech nejsou využívány všechny výhody tohoto technického pokroku. Pochopení unikátní interakce obrobku a nástroje během frézování a zmírnění střídavého namáhání vznikajícího při procesu umožní výrobcům dosáhnout současně tří cílů: maximální produktivity, kvality a životnosti nástroje.