Frezowanie trochoidalne jako wydajniejsza metoda obróbcza
FraisaZapewnienie najwyższej jakości wytwarzanych elementów, wzrost wydajności procesów obróbczych czy też konieczność sprostania nowym rodzajom materiałów – to tylko kilka najważniejszych czynników, które wymuszają stałą ewolucję procesów obróbki skrawaniem. Ewolucja ta odbywa się poprzez wdrażanie coraz to nowszych narzędzi (zarówno pod względem użytego materiału, jak i ich geometrii), rozwój konstrukcji i funkcjonalności obrabiarek, a także poprzez zmiany samych procesów. Przykładem tego ostatniego trendu jest spora liczba różnych metod np. procesu frezowania, wśród których rosnącą popularność zyskuje m.in. frezowanie trochoidalne.
Frezowanie trochoidalne nie jest wprawdzie nową metodą obróbki skrawaniem (jej początki sięgają lat 80. minionego stulecia), jednak w początkowym okresie nie była zbyt popularna – ze względu na liczne ograniczenia technologiczne. Przede wszystkim ówczesne obrabiarki charakteryzowały się słabo rozwiniętymi systemami sterowania, niewielką pamięcią wbudowaną i niskimi prędkościami skrawania. Duży stopień skomplikowania tej metody frezowania wymuszał tworzenie rozbudowanego oprogramowania (generowania kodu), nie było też możliwości wykonywania symulacji komputerowych.
Zmiany przyniósł dopiero rozwój, poza samymi obrabiarkami, także systemów CAD/CAM. Współczesne systemy umożliwiają szybsze i łatwiejsze generowanie niezbędnych kodów, a przy tym przeprowadzanie symulacji procesów i pełniejszą kontrolę nad przebiegiem frezowania trochoidalnego.
Czym jest frezowanie trochoidalne?
Frezowanie trochoidalne (trochoidal performance cutting – TPC), zwane również frezowaniem wirowym, należy do tzw. szybkościowych metod frezowania. Podczas procesu frezowania narzędzie wykonuje jednocześnie ruch kołowy i do przodu. Nazwę bierze od kształtu trajektorii ruchu narzędzia (trochoidy), która jest następstwem nakładania się wspomnianych ruchów posuwowego i orbitalnego.
Cechą charakterystyczną tego typu frezowania jest znacznie mniejszy kąt opasania w porównaniu z frezowaniem konwencjonalnym (poniżej 60o). Skutkuje to ograniczeniem siły skrawania (nawet do 70%) podczas obróbki, mniejszą ilością wytwarzanego ciepła, a przy tym lepszymi warunkami chłodzenia narzędzia (faza pracy ostrza jest krótsza niż faza przebywania ostrza poza obrabianym materiałem). Wszystko to przekłada się na wydłużenie żywotności frezów.
Kolejną cechą frezowania trochoidalnego jest mniejsza promieniowa głębokość skrawania przy większej głębokości osiowej. Efektem jest stosowanie do obróbki specjalnych frezów trochoidalnych o średnicy mniejszej niż frezy tradycyjne (nawet dwukrotnie mniejszej niż średnica obrabianego rowka). Jednocześnie w obróbce bierze udział cała krawędź skrawająca narzędzia, co także przekłada się na bardziej równomierne rozłożenie ciepła niż w przypadku konwencjonalnych narzędzi do frezowania.
W ramach frezowania trochoidalnego można wyróżnić dwa odrębne podtypy tego procesu – statyczne i dynamiczne. W przypadku frezowania statycznego narzędzie frezujące wykonuje ruchy po z góry zaplanowanej ścieżce trochoidalnej, zgodnie z wprowadzonym kodem. Z kolei dynamiczne frezowanie trochoidalne wyróżnia się tym, że praca narzędzia skrawającego jest optymalniej dopasowana do danego zadania obróbczego. Dzięki temu w tym samym czasie frezarka jest w stanie usunąć z obrabianego detalu większą ilość materiału.
Szybsze frezowanie i mniejsze zużycie narzędzia
Wspomniana na początku rosnąca popularność frezowania trochoidalnego wynika z licznych zalet praktycznych, które przemawiają za stosowaniem tej metody. Na pierwszy plan wysuwa się jednak większa wydajność takiego frezowania, która wynika co najmniej z kilku czynników.
Systemy oprogramowania CAM pozwalają zachować stały kąt opasania (mniejszy niż przy tradycyjnych metodach frezowania), a to przekłada się na mniejsze naprężenia na narzędziu i możliwość uzyskania wyższej prędkości obróbki. Większa prędkość frezowania wynika również z większej głębokości osiowej procesu skrawania, a co za tym idzie wykorzystania całej długości części roboczej narzędzia.
Ponieważ we frezowaniu trochoidalnym średnica narzędzia jest mniejsza niż szerokość rowka, jednym narzędziem można wykonywać rowki o różnych wymiarach. Dzięki temu oszczędza się czas niezbędny na wymianę narzędzia, a także miejsce w magazynie narzędziowym obrabiarki. Mniejsza od szerokości rowka średnica narzędzia ułatwia też odprowadzanie wiórów, dzięki czemu nie dochodzi do ich ponownego skrawania.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Kolejną zaletą frezowania trochoidalnego jest duża stabilność procesu, która wynika z oddziaływania mniejszych sił skrawania. W efekcie dużo mniejsze są drgania, co umożliwia obróbkę również mniej wytrzymałych materiałów. Mniejsze siły skrawania to także mniejsze zapotrzebowanie energetyczne, a jednocześnie możliwość użycia w procesie maszyn obróbczych o gorszych parametrach (mniejszej mocy).
Mniejszy kąt opasania to także lepsze możliwości chłodzenia narzędzia, którego część robocza krócej znajduje się w fazie skrawania. Większa długość narzędzia, która bierze udział w frezowaniu, to z kolei lepsze rozłożenie obciążenia termicznego, a także przesunięcie wypadkowej siły skrawania bliżej środka narzędzia – a tym samym bardziej równomierne rozłożenie zużycia.
W efekcie narzędzia do frezowania trochoidalnego charakteryzują się dłuższą żywotnością niż frezy konwencjonalne. Ponadto m.in. dzięki skuteczniejszemu odprowadzaniu ciepła w procesie frezowania trochoidalnego nie ma potrzeby stosowania płynów chłodząco-smarujących.
Frezowanie trochoidalne – wymagania
Liczne zalety tej metody frezowania zwiększają zainteresowanie nią, choć trzeba też wspomnieć o istniejących ograniczeniach. Przede wszystkim jest to metoda bardziej skomplikowana i bez specjalistycznego oprogramowania CAM dużo trudniej byłoby ustawić optymalne parametry procesu skrawania (trajektoria ruchu narzędzia, zmienność posuwu). Istotny jest także dobór odpowiedniej średnicy narzędzia, która powinna być dopasowana do szerokości rowka.
Wyzwaniem jest także zachowanie w miarę możliwości stałej grubości wióra. Jego zmieniająca się grubość może skutkować obniżeniem jakości obróbki, pogorszeniem parametrów (m.in. prędkości posuwu), a także szybszym zużyciem narzędzia.
Do jakich zastosowań frezowanie trochoidalne?
Metoda frezowania trochoidalnego może być używana do różnych zadań, ale jej głównym przeznaczeniem wydaje się frezowanie głębokich rowków i kieszeni. Przy tego typu zastosowaniach metoda trochoidalna najwyraźniej eksponuje swoje zalety w porównaniu z tradycyjnym frezowaniem – znacznie większe głębokości osiowe skrawania i większa prędkość posuwu umożliwiają usunięcie większej ilości materiału z obrabianego elementu. Większa stabilność procesu (mniejsze drgania) predysponuje tę metodę także do zadań, w których wymagana jest duża dokładność frezowania przy zachowaniu krótkiego czasu obróbki.
Wspomniana wyżej zwiększona wytrzymałość frezów trochoidalnych (dłuższa część robocza, mocniejszy rdzeń, wykonanie z węglika spiekanego i dodatkowe pokrycie np. powłoką TiAlN) sprawia, że metoda ta jest powszechnie stosowana do obróbki utwardzonych i trudnoskrawalnych materiałów typu HRSA (superstopów, tytanu i stali nierdzewnych).
Choć nie jest to metoda najnowsza, to pozwala maksymalnie wykorzystać możliwości obecnych obrabiarek i systemów CAM. Frezowanie trochoidalne nawet przy użyciu obrabiarki o nieco mniejszej mocy wrzeciona może zapewnić dużo większą wydajność niż konwencjonalne metody frezowania. W zależności bowiem od obrabianego materiału i innych parametrów pozwala skrócić czas frezowania nawet o kilkadziesiąt procent, a przy tym kilkukrotnie wydłużyć żywotność narzędzia skrawającego.
Niewątpliwie frezowanie trochoidalne jest metodą, która w najbliższych latach będzie się jeszcze rozwijać i w dalszym ciągu zyskiwać na popularności. Zwłaszcza, jeśli rosnąć będzie wykorzystanie różnego typu materiałów o zwiększonej twardości.
O Autorze
