Освойте искусство расчета резки: ваш путеводитель по точности обработки на станках с ЧПУ

Как и в случае с любым механическим устройством, точность является основой подписи современного станка с ЧПУ, и этот конкретный аспект может быть достигнут только при наличии полного понимания расчетов резки. В этой статье будут освещены соответствующие шаги и методы, которые составляют процесс определения точных параметров резки. От основных понятий скорости резки, глубины резания и скорости подачи до их влияния на производительность станка и качество получаемой детали, мы попытаемся охватить как можно больше практических идей. А для тех, кто стремится максимизировать производительность или уровень детализации производимых заготовок, это руководство поможет в освоении обработки с ЧПУ.

Что означает скорость резания и как ее рассчитать?

Скорость резания относится к скорости линейного движения режущей кромки и поверхности заготовки. Часто она рассчитывается в SFM или футах поверхности в минуту или даже в метрах в минуту м/мин. Для получения скорости резания используется следующая формула:

Скорость резания (V) = (π x D x N)/12 (в имперских единицах)

V = метрическая пространственная скорость в SFM

D = размеры заготовки или инструмента (в дюймах)

N = скорость шпинделя (об/мин)

В случае использования метрических единиц измерения вместо 12 введите 1000 и выполните расчет следующим образом:

Скорость резания (V) =π x D x N/1000

Понимание скорости резания при обработке на станках с ЧПУ

Существует множество особенностей, которые влияют на скорость резки станка с ЧПУ, и они включают материал заготовки и тип используемого режущего инструмента, а также выполняемую операцию. Материалы, составляющие заготовку, такие как алюминий, сталь и титан, имеют разные уровни твердости и термических свойств, которые требуют разных скоростей резки. Таким же образом, материалы режущего инструмента, такие как быстрорежущая сталь (HSS) или твердосплавные инструменты, а также керамика, влияют на то, насколько горячим может стать обрабатывающий инструмент, прежде чем он потеряет свою остроту.

Оптимальная скорость резания также меняется в зависимости от различных операций обработки, включая точение, фрезерование и сверление. Например, фрезерование также имеет свой собственный набор скоростей в зависимости от количества канавок инструмента, а также скорости подачи. Внедрение рекомендуемых диапазонов скоростей резания обеспечивает точную резку, а консультирование по рекомендациям обеспечивает эффективность всех операций.

Изменения скорости можно рассчитать по следующим формулам:

Скорость резания (Vc) является одним из важных параметров, которые необходимо рассчитывать в различных процессах обработки. Она определяется по формуле:

Vc = (π × D × N) / 1000

Vc = Скорость резания (метров в минуту, м/мин)

D = Диаметр заготовки или инструмента (миллиметры, мм)

N = Скорость вращения шпинделя (оборотов в минуту, об/мин)

Согласование скоростей вращения и диаметров шпинделя с желаемыми скоростями резания обеспечивает точную и эффективную работу инструмента. Могут потребоваться некоторые корректировки с использованием свойств материалов, параметров режущего инструмента и условий обработки. Ссылки на рекомендации и стандарты конкретных производителей инструментов значительно помогают в достижении оптимальных результатов.

Факторы, влияющие на скорость резания

Различные материалы обладают различной твердостью и термическими свойствами, которые влияют на оптимальную скорость резки. Например, более мягкие металлы, такие как алюминий, позволяют достичь гораздо большей скорости резки по сравнению с более твердыми металлами, такими как нержавеющая сталь.

Каждый инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали (HSS), твердого сплава или даже керамики, обладает различными эксплуатационными характеристиками, но в целом можно отметить, что твердосплавные инструменты, как правило, поддерживают более высокие скорости благодаря своей повышенной прочности при выдерживании высоких температур.

Поскольку эффективность максимизируется за счет улучшения формы и остроты режущего инструмента, плавные и безопасные разрезы должны обеспечиваться за счет оптимальной геометрии инструмента на более высоких скоростях.

Как определить глубину резания в процессе обработки?

Установление глубины резания и ее значения

В отношении операции обработки глубина резания — это расстояние, на которое режущий инструмент входит в заготовку в процессе обработки. Она определяется расстоянием между необработанной поверхностью и обработанной поверхностью. Эта настройка обычно основана на типе материала заготовки, возможностях режущего инструмента и мощности имеющегося станка.

Чтобы найти оптимальную глубину реза:

Свойства материала. Обычно для более мягких материалов допускается большая глубина резания, чем для более твердых, которые требуют более неглубоких резов, чтобы защитить инструмент от повреждений и перегрева.

Прочность инструмента – относится к прочности и остроте конкретного режущего инструмента. Более прочные инструменты способны выдерживать более глубокие порезы.

Условия обработки – Такие аспекты, как мощность станка, его устойчивость и то, насколько хорошо контролируются вибрации, имеют решающее значение. При более глубоких резах жесткость станка, как правило, выше, что позволяет выполнять более глубокие резы.

Выбор правильной глубины резания всегда гарантирует повышение эффективности обработки, увеличение срока службы инструмента и минимизацию вероятности ошибок при обработке. Всегда соблюдайте рекомендации производителей относительно конкретных материалов и инструментов.

Применение калькулятора для точной скорости подачи

Для точных расчетов подачи калькулятору потребуется ввести данные пользователя о подаче на зуб (Fz), скорости шпинделя (N) и количестве канавок (z). Используя эти параметры, вы можете легко рассчитать скорость подачи (Vf) для вашего процесса обработки, используя формулу Vf = Fz × N × z. Это помогает достичь целевой эффективности без ущерба для качества и увеличения срока службы инструмента. Пожалуйста, уделите особое внимание вводимым значениям и единицам, поскольку ошибки случаются и могут негативно повлиять на расчеты.

Распространенные ошибки при определении подачи на зуб

Как и в других расчетах, наиболее распространенной ошибкой является неправильная интерпретация единиц измерения. В этом случае подача на зуб (Fz) указывается либо в миллиметрах (мм), либо в дюймах, а смещение единиц для преобразования выполняется неправильно. Другая ошибка такого типа — неучет правильного значения для канавок (z), особенно когда калибром является инструмент с двумя канавками. Расчет скорости с предполагаемым значением в 4 канавки увеличивает вероятность перегрузки режущих кромок, что в конечном итоге приведет к износу инструмента или его поломке.

Чтобы вы могли лучше понять данные, вот два примера:

Подача на зуб (Fz): 0.1 мм/зуб

Скорость вращения шпинделя (Н): 12,000 XNUMX об/мин

Количество канавок (z): 4

Fz × N × z = 0.1 × 12000 × 4 = 4800 мм/мин

После расчетов правильное значение скорости подачи (Vf) составляет 4800 мм/мин.

Подача на зуб (предполагаемая Fz): 0.2 мм/зуб (ошибочно изменено с фактического значения 0.1 мм/зуб)

Скорость вращения шпинделя (Н): 12,000 XNUMX об/мин

Количество канавок (z): 4

Vf = Fz × N × z = 0.2 × 12,000 4 × 9,600 = XNUMX XNUMX мм/мин

Это неверное предположение дает скорость подачи 9600 мм/мин, что вдвое превышает требуемую скорость и, скорее всего, приведет к чрезмерной вибрации станка, снижению качества обработки поверхности детали и повреждению инструмента.

Какова роль станка в измерении силы резания?

Исследование функциональных возможностей станков

Измерение сил резания тесно связано с эффективностью станков, поскольку они обеспечивают поверхность, с которой измеряются и регистрируются силы в процессе обработки. При обработке силы резания являются одним из важнейших параметров, влияющих на процесс, срок службы инструмента и качество детали. Для измерения этих сил на станках устанавливаются необходимые встроенные или внешние устройства измерения сил, такие как динамометры и тензодатчики. Эти системы предлагают измерение сил в реальном времени по осям X, Y и Z, что позволяет проводить подробный анализ.

Измерение силы резания постоянно совершенствуется с помощью новых типов датчиков и систем сбора данных с целью простоты измерения и минимального прерывания процесса обработки. Многокомпонентные динамометры также являются примером. Они могут измерять силы резания, которые являются чувствительными, и поэтому используются со станками с ЧПУ для лучшего контроля. Кроме того, точность измерения сил зависит от жесткости и устойчивости станка, что требует, чтобы условия резания соответствовали возможностям станка. Поэтому интеграция этих измерительных систем со станками направлена ​​на оптимизацию параметров резания, поддержание стабильности процесса и снижение вероятности износа инструмента или деформации заготовки.

Использование станков для измерения силы резания

Измерение силы резания имеет несколько зависимостей, которые необходимо учитывать. Ниже приводится краткое изложение наиболее важных из них вместе с новой информацией из последних исследований:

Силы резания в значительной степени зависят от скорости резания и скорости подачи. Хорошим примером является снижение силы резания при увеличении скорости резания с 50 м/мин до 200 м/мин во время токарных операций из-за термического размягчения, как было показано в исследовании, проведенном на стальных сплавах. С другой стороны, увеличение скорости подачи с 0.1 мм/оборот до 0.3 мм/оборот увеличивает силы резания примерно на 60% из-за большего поперечного сечения стружки.

Угол наклона режущего инструмента и его материальный состав также очень важны для сил резания. Например, инструменты с положительными углами, такими как угол наклона +10°, создают меньшие уровни силы по сравнению с инструментами с нейтральными и отрицательными углами наклона. Более прочные материалы, такие как твердый сплав или поликристаллический алмаз (PCD), имеют более высокую устойчивость к резанию, и поэтому, чем сложнее резать эти материалы, тем более активную обработку можно выполнять без значительного износа инструмента.

Так же, как обрабатываемая деталь тверда, а ее микроструктура изящна, такова и степень обработки материала. Например, обработка алюминиевых сплавов обычно приводит к снижению сил резания на 40%-50% по сравнению с углеродистыми сталями при тех же условиях резания. Экспериментальные данные показывают, что более твердые материалы, такие как сталь, твердость которой превышает 50 HRC, требуют больших усилий из-за сопротивления удалению материала.

Смазочно-охлаждающие жидкости могут использоваться для значительного снижения сил резания за счет снижения трения на границах инструмент-стружка и инструмент-заготовка. Испытания показали снижение сил резания на 20%-30% при использовании высокопроизводительных смазочно-охлаждающих жидкостей или систем MQL по сравнению с процессами сухой обработки.

Вибрационное поведение и статическая жесткость станков также будут влиять на измерение. Станки с большей степенью динамической жесткости минимизируют ошибки измерения сил, вызванные деформацией или дрожанием системы, тем самым предоставляя более качественную информацию.

Вооружившись эмпирическими данными, количественно определяющими эти факторы и их влияние, производители могут заранее знать, как скорректировать условия обработки и как можно добиться оптимизации производительности. С точки зрения точного машиностроения сочетание современных динамометров и аналитических моделей позволяет точно прогнозировать силу, что повышает производительность и качество продукта.

Эффективные методы оптимизации силы резания

Все больше внимания уделяется телеметрии в реальном времени и машинному обучению в оптимизации силы резания. Интегрированные датчики в динамометрах способны регистрировать данные о силе с более высокой точностью даже в сложных сценариях обработки. Расширенные алгоритмы используют эту информацию для прогнозирования срока службы инструмента, диагностики неисправностей и предложения подачи, скорости резания и глубины резания.

Использование новых материалов для режущих инструментов, в частности поликристаллического алмаза (PCD) и керамических композитов, значительно улучшило динамику обработки за счет более низких требований к силе резания и превосходного качества обработки поверхности. При использовании этих материалов в сочетании с криогенной обработкой или усовершенствованными системами охлаждения MQL срок службы инструмента и производительность увеличиваются. Подводя итог, можно сказать, что использование этих технологий приводит к тому, что производители получают более высокую производительность и экономическую эффективность в экономически агрессивных отраслях.

Как рассчитать время обработки на фрезерном станке с ЧПУ?

Составляющие времени, связанные с операциями механической обработки

Время обработки при фрезеровании с ЧПУ имеет несколько основных компонентов, таких как длина реза, скорость подачи и скорость инструмента. Для эффективной обработки точность зависит от этих различных факторов и их корреляции. Базовое время обработки (T) можно рассчитать по следующей формуле:

Т = Л / (Ж * Н)

T = время обработки в минутах

L = Общая длина реза в мм

F = Скорость подачи в мм/оборот или мм/минуту

N = Скорость вращения шпинделя, об/мин

Пример данных:

Материал: алюминиевый сплав

Длина реза (L): 150 мм

Скорость подачи (F): 0.25 мм/об

Скорость вращения шпинделя (Н): 1200 XNUMX об/мин

Применение формулы:

Т = 150 / (0.25 * 1200)

T = 150/300 = 5 минуты или 30 секунд.

Соображения относительно точности:

Отрегулируйте скорость вращения шпинделя и скорость подачи в соответствии с обрабатываемым материалом и используемыми инструментами.

При детальном планировании учитывайте время наладки, время смены инструмента и любые другие эксплуатационные периоды ожидания для промышленных применений.

Для моделирования программное обеспечение CAD/CAM может разбить время обработки на более мелкие сегменты, тем самым повышая точность и снижая вероятность ошибок, гарантируя оптимизацию цикла.

Шаги для расчета времени обработки с максимальной точностью

Ниже приведено подробное описание основных параметров и соответствующих данных, касающихся расчета времени обработки.

Тип материала: алюминиевый сплав

Уровень твердости (если применимо): Умеренный

Теплопроводность и характеристики износа (следует учитывать при выборе инструмента)

Длина реза (L): 150 мм

Скорость подачи (F): 0.25 мм/об

Скорость вращения шпинделя (Н): 1200 об/мин

Тип инструмента: Фреза с твердосплавными пластинами

Диаметр инструмента (если применимо): на заказ в зависимости от типа резки

Тип станка: Токарный станок с ЧПУ (и режим работы)

Скорость поверхности: рассчитывается и выводится на основе скорости шпинделя, если это не было сделано ранее.

Нагрузка на зуб: зависит от режущего инструмента и используемых стержней.

Охлаждающая жидкость (если используется) – должна применяться для эффективного охлаждения.

Операционные задержки/регулировка (регулировка смены инструмента, внешнее выравнивание инструмента и детали)

Время обработки (T): 30 секунд или 0.5 минуты

Дополнительные корректировки (регулировка задержки, регулировка реакции) – в соответствии с конечными значениями.

Методы повышения производительности за счет сокращения времени обработки

Существует несколько методов, которые можно применять для повышения производительности и сокращения времени процессов обработки:

• Регулировка условий обработки инструмента: изменение скорости подачи, скорости шпинделя и глубины резания обрабатываемого материала может привести к более высокой скорости съема материала без снижения качества поверхности или срока службы инструмента.
• Выберите превосходный инструмент: использование высокопроизводительных режущих инструментов, таких как твердосплавные пластины с покрытием, обеспечивает лучшую износостойкость, термостойкость и эффективность при высокоскоростной обработке операций.
• Внедрение высокоскоростной обработки (HSM): HSM повышает производительность обработки более мягких материалов и на этапах финишной обработки за счет значительного сокращения времени цикла.
• Применение новейших технологий ЧПУ: современные станки с ЧПУ с улучшенным ускорением и замедлением, а также быстрой сменой инструмента сокращают время простоя и способствуют повышению скорости обработки.
• Сокращение времени, не добавляющего ценности: более эффективное планирование и автоматизация настройки, отвода и времени простоя инструмента значительно экономят время во время повторяющихся или пакетных процессов.
• Применение охлаждающей жидкости: правильное применение систем подачи охлаждающей жидкости под высоким давлением или направленного охлаждения может снизить износ инструмента из-за перегрева и обеспечить более быструю резку, сохраняя при этом превосходное качество резки.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В: Почему расчет резки имеет решающее значение при обработке на станках с ЧПУ?

A: Что касается расчета резки, этот аспект важно в обработке на станках с ЧПУ поскольку это помогает определить оптимальные параметры обработки для эффективности и точности. Это означает, что лезвие может работать с идеальной скоростью и скоростью подачи, минимизируя износ и окисление. Такое действие продлит срок службы оборудования, а также улучшит качество обработанных деталей.

В: Как бы вы рассчитали скорость резания при токарной обработке с ЧПУ?

A: Скорость резания при токарной обработке с ЧПУ можно рассчитать по формуле: Vc = (π × D × N) / 12. В этом случае оператор должен помнить, что Vc — это скорость резания в дюймах в минуту, D — диаметр заготовки, а N — скорость вращения, выраженная в оборотах в минуту. Эта формула обработки помогает операторам определить, какая скорость даст желаемые результаты.

В: Какие основные элементы влияют на расчет толщины стружки?

A: Расчет толщины стружки зависит от скорости подачи на оборот, геометрии лезвия, скорости обработки и свойств материала заготовки. Знание этих факторов помогает обеспечить использование наиболее оптимальных процессов обработки для получения точных разрезов.

В: Как оценивается теоретическая чистота поверхности при обработке на станках с ЧПУ?

A: Теоретическая шероховатость поверхности оценивается на основе подачи на единицу расстояния, радиуса носа инструмента и амплитуды вращения. Эта теория предсказывает шероховатость поверхности и помогает оператору определить требуемое качество поверхности для соответствующего изменения параметров обработки.

В: Какую роль играет обрабатываемость при расчете резания?

A: Как одно из определений обрабатываемости, это также относится к возможности резки материала, и это влияет на расчет резки. По мере улучшения обрабатываемости, требования к мощности для операций резки и ухудшение поверхности также улучшаются. Знание обрабатываемости помогает в дальнейшем определении параметров резки, таких как скорость шпинделя и скорость подачи для достижения оптимальных результатов.

В: Какие шаги вы предпринимаете, чтобы найти оптимальную скорость вращения для токарной обработки с ЧПУ?

A: Анализируя диаметр заготовки, предпочтительную скорость резания и характеристики ее материала, можно определить оптимальную скорость вращения. В этом случае операторы применяют формулу N = (12 × Vc) / (π × D) для расчета требуемого числа оборотов в минуту таким образом, чтобы гарантировать как точность, так и эффективность процесса обработки.

В: Почему при обработке на станках с ЧПУ необходимо соблюдать допуск по скорости подачи?

A: Правильная скорость подачи обеспечивает минимальный износ инструмента, хорошую отделку поверхности и точные размеры. Скорость подачи, которая обычно измеряется в дюймах в минуту (IPM), определяет средний объем материала, удаляемого за один оборот, тем самым влияя на эффективность и точность обработки.

В: Что делается для повышения производительности резки на станках с ЧПУ?

A: Современные инструментальные материалы, автоматические сменщики инструмента, оптимизация параметров обработки и системы охлаждения используются для снижения температуры и окисления, тем самым улучшая производительность резки и выступая в качестве решения для станков с ЧПУ. Эти методы имеют значительную выгоду при стремлении к большей производительности, точности или продлению срока службы операций с ЧПУ.

В: Каков метод расчета радиуса кривизны обтачиваемой детали?

A: Для токарной детали радиус кривизны определяется в соответствии с радиусом вершины инструмента и скоростью подачи. Это важный аспект, поскольку эти значения помогают рассчитать окончательный контур заготовки. Контур также должен соответствовать требованиям конструкции. Измерение радиуса необходимо при токарной обработке с ЧПУ.

Справочные источники

1. «Прямой расчет параметров состава материала Джонсона-Кука для операций косой резки»(Нгуен и Хоссейни, 2023 г.)

• Опубликовано в 2023
• Авторы: Нам Нгуен, А. Хоссейни
• Основные выводы: Авторы разработали метод прямого расчета для определения параметров составных материалов Джонсона-Кука для операций косой резки, который позволяет точно прогнозировать силы резания и температуры.
• Методология: Авторы использовали аналитическую модель в сочетании с экспериментальной проверкой для непосредственного расчета параметров материала Джонсона-Кука без необходимости итеративной оптимизации.

2. «Расчет и анализ квазидинамической силы резания и удельной энергии резания при микрофрезеровании Ti6Al4V» (Чжан и др., 2022, стр. 6067–6078)

• Опубликовано в 2022
• Авторы: Ябо Чжан, Ц. Бай, Фэнжуй Чжан, Пэн Ван
• Основные выводы: Авторы предложили расчетную модель для прогнозирования квазидинамической силы резания и удельной энергии резания при микрофрезеровании сплава Ti6Al4V, которая показала хорошее соответствие экспериментальным результатам.
• Методология: Авторы разработали аналитическую модель, основанную на толщине недеформированной стружки и геометрии режущей кромки для расчета силы резания и удельной энергии резания, а также проверили модель с помощью экспериментов.

3. «Оптимальный расчет и экспериментальное исследование силы резания гипоидной передачи, обработанной методом обкатки»(Цзян и др., 2021 г., стр. 1615–1635.)

• Опубликовано в 2021
• Авторы: Чжуан Цзян, Цзин Дэн, Сяочжун Дэн
• Основные выводы: Авторы предложили оптимальный метод расчета силы резания гипоидных зубчатых передач, обработанных методом обкатки, и подтвердили правильность модели с помощью экспериментальных исследований.
• Методология: Авторы разработали аналитическую модель для расчета силы резания на основе геометрии зубчатого колеса и параметров резания, а также провели эксперименты для проверки точности модели.

Станок

Формула