Почему фреза перегревается при плохой эвакуации стружки на станках ЧПУ?

В промышленной автоматизации и процессах металлообработки, оптимальная производительность и срок службы фрезерных станков с ЧПУ зависят от слаженной работы множества факторов. Одним из ключевых является эвакуация стружки. Недостаточная эвакуация стружки — это критическая проблема, ведущая к перегреву фрезы. Это не только сокращает срок службы инструмента, но и негативно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности, точности размеров и общей эффективности производства. По сути, тепло, образующееся в процессе резания, воздействует на фрезу тремя основными механизмами: трением, пластической деформацией и повторным резанием стружки.

В процессе резания при отделении материала от заготовки возникает значительная сила трения. Это трение преобразует значительную часть энергии в тепло. Кроме того, деформация материала режущей кромкой с образованием стружки (пластическая деформация) также выделяет значительное количество тепла. В нормальных условиях большая часть этого тепла отводится от зоны резания с помощью образующейся стружки и применяемой охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако при плохой эвакуации стружки эта стружка накапливается в зоне резания, создавая своего рода изоляционный слой. Эта изоляция приводит к тому, что тепло задерживается на инструменте.

Более того, накопленная стружка приводит к тому, что инструмент при следующем проходе повторно режет ту же стружку. Эта ситуация «повторного резания» означает избыточное трение и, следовательно, избыточное тепловыделение. Кроме того, накопленная стружка препятствует эффективному доступу охлаждающей жидкости к зоне резания. Охлаждающая жидкость не только снижает трение, но и поглощает тепло, отводя его. Накопление стружки нарушает эту жизненно важную функцию, способствуя перегреву инструмента. Это может привести к образованию микротрещин на режущих кромках, нароста (BUE — Built-Up Edge) и, в конечном итоге, к преждевременному износу и поломке инструмента.

Принцип работы и технические данные

В процессах обработки на станках с ЧПУ перегрев фрезы является неизбежным следствием преобразования энергии. Процесс резания преобразует значительную часть механической энергии в тепло при удалении материала с заготовки. Это тепло поступает из трех основных источников: пластической деформации материала перед режущей кромкой, трения стружки о режущую кромку и поверхность стружки, а также трения инструмента о поверхность заготовки. В здоровом процессе обработки около 70-80% выделяемого тепла отводится стружкой. Оставшееся тепло распределяется между заготовкой, инструментом и СОЖ.

Однако, когда механизм эвакуации стружки работает неэффективно, этот баланс нарушается. Недостаточная эвакуация приводит к заклиниванию стружки в зоне резания, ее набиванию в винтовые каналы инструмента и даже застреванию между инструментом и заготовкой. Эта застрявшая стружка вызывает следующие технические проблемы:

1. Тепловая ловушка: Стружка накапливается в зоне резания, препятствуя теплопередаче. Хотя металлическая стружка является хорошим проводником тепла, ее скопление снижает эффективность СОЖ и приводит к тому, что тепло задерживается внутри материала инструмента. Это может повысить температуру инструмента до критических уровней.
2. Повторное резание и избыточное трение: Застрявшая стружка заставляет инструмент при следующем обороте повторно резать ту же стружку. Это создает избыточные силы резания и трение, увеличивая термическую и механическую нагрузку на инструмент. Эта дополнительная нагрузка многократно увеличивает скорость износа инструмента.
3. Барьер для СОЖ: Накопление стружки препятствует проникновению СОЖ (режущего масла или эмульсии) в зону резания. Основная задача СОЖ — отвод тепла и снижение трения. Это препятствие ускоряет перегрев инструмента и устраняет эффект смазки.
4. Нарост на режущей кромке (BUE): При высоких температурах и давлениях материал заготовки может «привариваться» к режущей кромке инструмента (BUE). Это изменяет геометрию инструмента, снижает эффективность резания, ухудшает качество поверхности и может привести к внезапной поломке инструмента.
5. Термическая усталость материала инструмента: Перегрев негативно влияет на микроструктуру материала инструмента (например, твердого сплава). Высокие температуры снижают твердость и износостойкость инструмента. Повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения (термический шок) вызывают образование и распространение микротрещин в инструменте, приводя к его раннему выходу из строя.

Эти технические проблемы значительно сокращают срок службы инструмента, увеличивают время обработки, повышают процент брака и увеличивают общие производственные затраты. Следовательно, эвакуация стружки — это не просто второстепенная задача, а критически важное инженерное требование для высокопроизводительной и устойчивой обработки на станках с ЧПУ.

На что обратить внимание в процессе работы

• Правильный выбор инструмента и его геометрии:

  Выбор фрезы, соответствующей обрабатываемому материалу и операции, имеет решающее значение. Особенно объем стружечной канавки и угол наклона спирали напрямую влияют на эвакуацию стружки. Для мягких и склонных к налипанию материалов (например, алюминия) следует выбирать инструменты с большим объемом стружечной канавки и высоким углом наклона спирали. Эти инструменты облегчают движение стружки вверх и ее отвод. Для твердых и хрупких материалов могут подойти инструменты с меньшим углом наклона спирали. Кроме того, покрытие инструмента (например, TiAlN, AlCrN) снижает трение, предотвращает налипание стружки и улучшает эвакуацию.

• Оптимизация параметров резания:

  Параметры, такие как скорость резания (Vc), подача (Fz) и глубина прохода (ap/ae), определяют форму и размер стружки. Как правило, слишком низкие скорости подачи приводят к образованию тонкой, длинной и изогнутой стружки, что затрудняет эвакуацию. Достаточная скорость подачи способствует образованию короткой и ломаной стружки. Однако чрезмерно высокая подача и глубина прохода также могут привести к заклиниванию стружки, превышая возможности инструмента. Параметры должны быть оптимизированы на основе рекомендаций производителя материала и инструмента, а также опыта и наблюдений. Правильные параметры обеспечивают легкое дробление и отвод стружки.

• Эффективные системы охлаждения и смазки:

  Правильная подача СОЖ (режущего масла/эмульсии) в зону резания в достаточном количестве имеет жизненно важное значение. Системы высоконапорной подачи СОЖ (70-150 бар) могут активно удалять стружку из зоны резания и обеспечивать проникновение СОЖ между инструментом и заготовкой. Особенно в сложных приложениях, таких как обработка глубоких карманов и полостей, предпочтительны инструменты с внутренними каналами для СОЖ или системы смазки минимальным объемом (MQL). MQL обеспечивает как охлаждение, так и смазку, снижая трение и улучшая поток стружки.

• Система управления стружкой и чистота станка:

  Интегрированные в станок конвейеры для стружки, системы обдува воздухом или вакуумные системы обеспечивают регулярное удаление стружки из рабочей зоны. Хотя в вертикальных обрабатывающих центрах стружка легко падает вниз под действием силы тяжести, в горизонтальных обрабатывающих центрах или при обработке глубоких карманов может потребоваться дополнительная помощь. Скопление стружки внутри станка не только мешает эвакуации, но и загрязняет СОЖ. Регулярная чистка станка и бака СОЖ необходима для поддержания эффективности системы.

• Крепление заготовки и жесткость:

  Надежное и жесткое крепление заготовки на столе станка минимизирует вибрации. Вибрации создают неравномерные силы резания, что приводит к неравномерному образованию стружки и ее заклиниванию в зоне резания. Жесткое крепление обеспечивает стабильную работу инструмента и предсказуемое образование стружки.

Часто встречающиеся проблемы и их решения

Проблемы с эвакуацией стружки в процессах обработки на станках с ЧПУ могут проявляться по-разному и часто приводят к перегреву инструмента. Вот распространенные проблемы и их решения с точки зрения промышленной автоматизации:

• Проблема 1: Заклинивание и набивание стружки в каналах инструмента

  Симптомы: Заполнение винтовых каналов инструмента стружкой, аномальное увеличение шума при резании, ухудшение качества поверхности, быстрый перегрев инструмента, появление дыма. Часто встречается при обработке глубоких карманов и полостей.

  Решение:

  • Изменение геометрии инструмента: Используйте фрезы с большим объемом стружечной канавки и/или более высоким углом наклона спирали. Это облегчает движение стружки вверх.
  • Настройка параметров резания: Увеличьте подачу, чтобы получить более короткую и ломаную стружку. Уменьшите глубину прохода, чтобы снизить объем стружки, снимаемой инструментом за один проход.
  • Высоконапорная подача СОЖ: Подача СОЖ под высоким давлением (70-150 бар) непосредственно в зону резания может механически выталкивать стружку.
  • Инструменты с дробителем стружки: Некоторые специальные фрезы имеют геометрию с дробителем стружки, которая разбивает стружку на более мелкие части.
• Проблема 2: Нарост материала на режущей кромке (BUE — Built-Up Edge)

  Симптомы: Приваривание материала заготовки к режущим кромкам инструмента, образование блестящей, липкой стружки, следы разрыва на поверхности, резкое снижение срока службы инструмента.

  Решение:

  • Настройка скорости резания и подачи: BUE обычно образуется при низких скоростях резания и/или низких скоростях подачи. Увеличение скорости резания и оптимизация подачи могут помочь.
  • Оптимизация переднего угла: Фрезы с более положительным передним углом снижают силы резания и трение, предотвращая образование BUE.
  • Покрытие инструмента: Покрытия с низким коэффициентом трения и высокой термостойкостью, такие как TiAlN, AlCrN, предотвращают налипание материала заготовки на инструмент.
  • Тип и поток СОЖ: Используйте СОЖ с лучшими смазывающими свойствами и убедитесь, что жидкость поступает в зону резания в достаточном количестве.
• Проблема 3: Чрезмерные вибрации и резонанс

  Симптомы: Высокий уровень шума, следы вибрации на заготовке (chatter), преждевременный износ инструмента, поломка инструмента.

  Решение:

  • Инструментальный держатель и крепление: Используйте инструментальные держатели с высокой жесткостью, гидравлические или термозажимные. Важно, чтобы инструмент был закреплен на минимально возможной длине вылета.
  • Крепление заготовки: Убедитесь, что заготовка очень надежно закреплена на столе станка или в приспособлении. При необходимости используйте дополнительные опоры.
  • Параметры резания: Попробуйте немного изменить глубину резания или подачу, чтобы отойти от резонансной частоты.
  • Динамическая балансировка: Динамическая балансировка инструментов, работающих на высоких скоростях, снижает вибрации.
• Проблема 4: Недостаточная подача СОЖ в зону резания

  Симптомы: Перегрев инструмента, дым, преждевременный износ инструмента, следы обгорания, изменение цвета на поверхности заготовки.

  Решение:

  • Позиционирование сопел: Отрегулируйте сопла СОЖ так, чтобы поток был направлен непосредственно в зону резания и на стружку. Использование нескольких сопел может быть более эффективным.
  • Высоконапорная подача СОЖ: Высокое давление позволяет СОЖ преодолевать барьер из стружки и достигать цели.
  • Внутренняя подача СОЖ: Используйте специальные фрезы с внутренними каналами для СОЖ, которые подают жидкость непосредственно к режущим кромкам.
  • MQL (смазка минимальным объемом): Небольшое количество масла, смешанное с воздухом, подается в зону резания в виде пара или тумана, обеспечивая как охлаждение, так и смазку, а также снижая налипание стружки.

Совет эксперта

Перегрев фрезы на станках с ЧПУ — это не просто симптом, а серьезная проблема производительности, вызванная неэффективностью системы эвакуации стружки. Этот процесс, посредством ряда сложных механизмов, таких как трение, повторное резание и снижение эффективности СОЖ, сокращает срок службы инструмента, ухудшает качество обработки и увеличивает производственные затраты. При стремлении к эффективности и устойчивости в секторе промышленной автоматизации, управление стружкой должно рассматриваться как неотъемлемая часть стратегии резания.

Наш совет как экспертов заключается в том, чтобы решать проблемы эвакуации стружки комплексным подходом, а не фокусироваться на одном факторе. Это начинается с правильного выбора геометрии инструмента; объем стружечной канавки, угол наклона спирали и покрытие напрямую влияют на образование и поток стружки. Затем следует оптимизация параметров резания (скорость резания, подача, глубина прохода) в соответствии с обрабатываемым материалом и характеристиками инструмента. Недостаточная подача приводит к тонкой, длинной стружке, в то время как чрезмерная подача может превысить возможности инструмента. Одним из наиболее критических элементов являются эффективные системы охлаждения и смазки. Передовые методы, такие как высоконапорная подача СОЖ или MQL, отводят тепло и активно выталкивают стружку из зоны резания. Жесткость станка и приспособлений обеспечивает стабильность и минимизирует вибрации, способствуя стабильному образованию стружки. Наконец, системные решения по управлению стружкой, такие как автоматические конвейеры и регулярная чистка станка, необходимы для обеспечения непрерывного и эффективного производственного потока.

Важно помнить, что хорошая эвакуация стружки не только продлевает срок службы инструмента, но и улучшает качество поверхности заготовки, повышает точность размеров и снижает общие затраты на обработку. Поэтому на каждом этапе проектирования и установки обработки на станках с ЧПУ стратегия эвакуации стружки должна тщательно планироваться и регулярно оптимизироваться. Такой интегрированный подход является ключом к удовлетворению высоких ожиданий, предъявляемых промышленной автоматизацией.

Нужна консультация по выбору оборудования или оптимизации процессов? Свяжитесь с нами через WhatsApp для получения индивидуального предложения!

Связанные категории товаров: Genel · Mafsal Kafa · Allen (Alyan) Başlı İmbus Civata