Что такое вертикальная обработка с ЧПУ? Вертикальная обработка с ЧПУ — это субтра...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕ
Вертикальное фрезерование основано на широком семействе вращающихся режущих инструментов, установленных на шпинделе, который движется перпендикулярно рабочему столу. Наиболее часто используемый инструмент включает концевые фрезы, торцевые фрезы, сверла, расточные оправки, развертки, метчики и пазовые сверла. О современном Вертикальные обрабатывающие центры (ВМК) Эти инструменты загружаются в карусель автоматического устройства смены инструмента (ATC), которая может вмещать от 16 до 120 инструментов, что позволяет выполнять сложные многооперационные детали за одну установку.
Выбор инструмента никогда не бывает произвольным. Каждый режущий инструмент выбирается в зависимости от материала заготовки, типа операции (черновая, чистовая, профилирование, сверление), скорости вращения шпинделя и мощности станка, а также требуемой чистоты поверхности или допуска на размеры. Цех, производящий алюминиевые компоненты для аэрокосмической отрасли, будет оборудовать свои VMC совсем иначе, чем тот, кто занимается обработкой полостей пресс-форм из закаленной инструментальной стали.
Понимание всей экосистемы инструментов для вертикального фрезерования необходимо каждому, кто задает VMC, программирует операции с ЧПУ или управляет механическим цехом. Ниже приводится глубокая и структурированная разбивка каждой основной категории инструментов: как они работают, когда их использовать и какие характеристики наиболее важны.
Концевые фрезы являются наиболее универсальными и широко используемыми режущими инструментами на любых VMC. В отличие от сверл, которые режут только в осевом направлении, концевые фрезы режут как в осевом, так и в радиальном направлении, что позволяет им выполнять боковое фрезерование, прорезание пазов, контурную обработку, наклон и даже винтовую интерполяцию для обработки отверстий. Это инструмент, к которому вы обращаетесь первым при большинстве операций вертикального фрезерования.
Концевые фрезы классифицируются в первую очередь по количеству канавок. А 2-зубая концевая фреза имеет большие отверстия для стружки и является стандартным выбором для обработки алюминия и мягких цветных металлов, где эвакуация стружки имеет решающее значение. А 4-зубая концевая фреза предлагает больше режущих кромок и лучшее качество поверхности, что делает его стандартным для стали и нержавеющей стали. Высокопроизводительные концевые фрезы с 5, 6, 7 или даже 9 канавками используются для высокоскоростной чистовой обработки закаленных сталей с твердостью выше 50 HRC, где небольшая нагрузка стружки, распределенная по множеству канавок, уменьшает прогиб и значительно улучшает качество отделки.
С практической точки зрения, 4-зубая твердосплавная концевая фреза, работающая из мягкой стали (1018) со скоростью 300 SFM, может обеспечить глубину резания 0,020 дюйма при нагрузке стружки 0,002 дюйма на зуб. Тот же фрезер из алюминия 6061 может работать со скоростью 1200 SFM при загрузке стружки 0,005 дюйма — пятикратное увеличение площади обработки поверхности, что значительно сокращает время цикла.
Цельнотвердосплавные концевые фрезы доминируют в современных инструментах VMC, поскольку твердый сплав примерно в три раза жестче, чем быстрорежущая сталь (HSS), что уменьшает прогиб и обеспечивает гораздо более высокие скорости резания. Покрытия дополнительно продлевают срок службы инструмента: TiAlN (нитрид титана и алюминия) исключительно хорошо переносит тепло и является стандартом для стали и чугуна. ZrN (нитрид циркония) и полированный твердый сплав без покрытия являются предпочтительными для алюминия, поскольку TiAlN может вызвать наросты на алюминиевой кромке. АлТиН варианты обеспечивают стойкость к окислению до 1472°F (800°C), что полезно для сухой обработки закаленных сталей.
Торцевые фрезы — это инструменты большого диаметра, предназначенные для обработки плоских поверхностей на больших площадях за один проход. Они крепятся непосредственно к шпинделю VMC через оправку и используют сменные твердосплавные пластины, а не сплошную режущую кромку. Диаметры обычно варьируются от 2 до 8 дюймов или больше, а количество вставок варьируется от 4 до 16 или более.
На вертикальном обрабатывающем центре 4-дюймовая торцевая фреза с 6 пластинами может удалить глубину резания 0,100 дюйма на поверхности шириной 3,5 дюйма за один проход, создавая ровную и равномерную поверхность. Это гораздо более эффективно, чем концевое фрезерование одной и той же поверхности, которое потребует нескольких проходов и оставит следы резца на траектории инструмента.
Угол подъема торцевой фрезы существенно влияет на толщину стружки, направление силы резания и срок службы пластины. А Угол подъема 45 градусов Торцевая фреза является наиболее распространенной, направляя силы под углом 45° на шпиндель и заготовку, что снижает вибрацию. А Торцевая фреза с углом 90 градусов (квадратное уступ) создает настоящую стену под углом 90° и используется, когда требуется уступ. Фрезы с высокой подачей и очень малыми углами подъема (около 10–17°) обеспечивают чрезвычайно высокие скорости подачи — иногда превышающие 300 дюймов в минуту — за счет преобразования глубины резания в более тонкую и широкую стружку, что значительно снижает осевую силу на шпинделе.
Насадные фрезы представляют собой разновидность торцевых фрез, которые монтируются на отдельной оправке и используют напаянные или сменные твердосплавные зубья. Обычно они используются для более легкой торцевой обработки, бокового фрезерования и ступенчатой обработки. Различие в основном заключается в монтаже: торцевые фрезы используют фланцевое крепление, насадные фрезы используют крепление на оправке с отверстием и шпоночной канавкой. На станках VMC с конусом шпинделя КАТ40 или BT40 оба типа распространены и часто взаимозаменяемы по функциям.
Сверление является основной операцией на вертикальных обрабатывающих центрах. Жесткий шпиндель станка VMC, точное управление осью Z и подача охлаждающей жидкости делают его высокоэффективным для быстрого изготовления точных отверстий. Семейство сверлильных инструментов включает спиральные, точечные, центровые, сменные и ступенчатые сверла.
Точечные сверла (обычно с углом при вершине 90° или 120°) используются перед спиральным сверлением, чтобы создать небольшое коническое углубление, которое направляет сверло и предотвращает его перемещение. На станках VMC с точным позиционированием точечное сверление иногда пропускают в пользу точечного сверления или винтовой интерполяции, но это остается стандартной практикой при работе с отверстиями с жесткими допусками. Центровые сверла выполняют аналогичную функцию, но также создают центральное гнездо токарного станка; они менее предпочтительны для начала отверстий в современных работах VMC из-за их склонности ломаться под боковой нагрузкой.
Спиральные сверла из быстрорежущей стали (HSS) по-прежнему используются для обработки мягких материалов и эпизодического производства, но твердосплавные сверла стали доминирующим выбором в производственных средах VMC. Твердосплавные сверла могут работать со скоростью резания, в 3–5 раз превышающей скорость резания из быстрорежущей стали, обеспечивать лучшее качество отверстий и поддерживать более жесткие допуски на диаметр. Твердосплавное сверло из нержавеющей стали 316 может работать со скоростью 200 SFM с подачей 0,004 дюйма на оборот — значения, которые быстро разрушили бы сверло из быстрорежущей стали.
Для диаметров более 0,75 дюйма (19 мм) сверла со сменными твердосплавными пластинами экономически и практически превосходят цельные сверла. В этих инструментах используются две пластины, расположенные на разных радиусах — одна покрывает центр, другая — внешнюю зону — с разной геометрией, чтобы учесть различную скорость резания по радиусу сверла. Сверла со сменными пластинами могут обеспечить скорость съема металла в 2–4 раза выше, чем эквивалентные цельные сверла по стали, и широко используются на станках VMC для сверления отверстий большого диаметра в производственных условиях.
Когда глубина отверстия превышает диаметр в 5 раз, стандартные сверла испытывают проблемы с отводом стружки и прямолинейностью. Пистолетные сверла — инструменты с одной канавкой и внутренней подачей СОЖ через корпус сверла — используются на станках VMC, оснащенных системами подачи СОЖ под высоким давлением (обычно 300–1000 фунтов на квадратный дюйм). Они могут достигать соотношения глубины к диаметру 30:1 или более в стали, создавая очень прямые, хорошо обработанные отверстия, используемые в каналах охлаждения пресс-форм, гидравлических коллекторах и компонентах огнестрельного оружия.
Когда просверленное или интерполированное отверстие должно соответствовать жесткому размерному допуску (скажем, H7 соответствует ±0,0005 дюйма), растачивание является предпочтительной операцией. При растачивании используется одноточечный инструмент, вращаемый шпинделем VMC, чтобы увеличить и выровнять существующее отверстие. Ключевое преимущество перед сверлением заключается в том, что растачивание корректирует положение и цилиндричность отверстия, а не только его диаметр.
Расточная головка крепится к шпинделю VMC (через конус CAT, BT или HSK) и удерживает сменную твердосплавную расточную оправку или сменный картридж. Важнейшей особенностью является механизм точной регулировки: циферблат в виде микрометра на расточной головке регулирует радиальное положение режущей кромки с шагом всего 0,0001 дюйма (0,0025 мм). Машинист набирает точный необходимый диаметр, измеряя пробный разрез и соответствующим образом корректируя его. Расточные головки таких производителей, как Wohlhaupter, Sandvik Coromant и Big Kaiser, откалиброваны с точностью ±0,00008 дюйма.
Стандартные расточные головки используют одну режущую точку. Для более высокой производительности, расточные инструменты с двумя резцами или двумя пластинами установите две пластины под углом 180° друг от друга, удваивая скорость подачи, сохраняя при этом сбалансированные силы резания. Они используются при расточке чугунных корпусов, блоков двигателей и гидравлических коллекторов, где время цикла имеет решающее значение.
Обратное растачивание — расширение дальнего конца сквозного отверстия со стороны входа — это специализированная операция, выполняемая расточными головками с возможностью смещения. Инструмент входит в отверстие минимального диаметра, головка смещается радиально программой ЧПУ и инструмент отводится для резки задней поверхности. Это устраняет необходимость переворачивать деталь для доступа и имеет решающее значение в аэрокосмической промышленности и обработке корпусов клапанов.
Развертывание — это операция доводки просверленного отверстия до точного диаметра и превосходного качества поверхности (обычно Ra 0,8–1,6 мкм) с использованием многозубой развертки. Развертки не предназначены для удаления большого количества материала; типичный припуск на развертывание составляет всего 0,005–0,015 дюйма (0,13–0,38 мм) по диаметру. Их цель — довести предварительно просверленное отверстие до допусков H7 или H6, чего невозможно добиться с помощью одного лишь сверла.
Развертывание на VMC обычно выполняется с использованием охлаждающей жидкости и на скоростях резания 50–70% от тех, которые используются для сверления того же материала. Слишком быстрая работа приводит к перегреву, что приводит к расширению расширителя и образованию отверстия слишком большого размера; слишком медленная работа может вызвать дребезжание и плохой результат.
Нарезание резьбы является одной из наиболее частых операций в общей механической обработке, и вертикальные обрабатывающие центры выполняют ее двумя принципиально разными способами: жесткое нарезание резьбы и фрезерование резьбы. Каждый из них имеет определенные требования к инструментам и сферам применения.
Современные станки VMC с возможностью жесткого нарезания резьбы точно синхронизируют вращение шпинделя с подачей по оси Z, что позволяет нарезать метчики с контролируемой нагрузкой на стружку без плавающего держателя метчика. Спиральные (пистолетные) метчики выдвигают стружку перед метчиком и идеально подходят для сквозных отверстий. Спирально-канавочные метчики вытягивайте стружку вверх и наружу, что делает ее правильным выбором для глухих отверстий. Формируйте резьбу холодным способом, перемещая материал без резки, создавая более прочную резьбу и полностью устраняя стружку. Они требуют на 30–40% большего крутящего момента, но являются предпочтительным выбором для пластичных материалов, таких как алюминий и мягкая сталь.
Поломка метчика — одна из самых дорогостоящих проблем при механической обработке, поскольку сломанный метчик в закаленном материале практически невозможно удалить. Твердосплавные метчики, правильный выбор скорости/подачи и соответствующая смазочно-охлаждающая жидкость существенно снижают этот риск. Метчик со спиральной головкой M8×1,25, изготовленный из алюминия 6061, может работать со скоростью 60 об/мин при использовании чистого смазочно-охлаждающего масла; из нержавеющей стали 304 для того же крана потребуется сернистая смазочно-охлаждающая жидкость и гораздо более консервативные параметры.
Резьбовые фрезы — это многозубые фрезы, которые создают резьбу посредством винтовой интерполяции — VMC одновременно перемещает оси X, Y и Z по спирали, пока фреза вращается. Преимущества значительны: одна резьбовая фреза охватывает диапазон размеров резьбы (в определенных пределах), отсутствует риск катастрофической поломки инструмента, поскольку силы резания низкие, а резьба может быть изготовлена из очень твердых материалов (50 HRC), где нарезание резьбы нецелесообразно. Фрезерование резьбы также является единственным практическим способом производства внутренняя резьба большого диаметра (выше примерно 1 дюйма) на VMC без специального оборудования. Компромиссом является более длительное время цикла и более сложная программа CAM.
Держатель инструмента — это интерфейс между конусом шпинделя VMC и режущим инструментом. Его часто упускают из виду, но он оказывает большое влияние на биение, жесткость, стойкость инструмента и качество поверхности. На предприятии VMC, производящем детали с допуском ±0,001 дюйма, держатель инструмента с TIR 0,002 дюйма (общее индикаторное биение) на режущей кромке уже потребляет 20 % всего бюджета допуска, прежде чем рассматривается какой-либо другой источник ошибок.
Большинство вертикальных обрабатывающих центров используют один из следующих стандартов интерфейса шпинделя:
| Конусный стандарт | Регион происхождения | Типичный размер машины | Ключевая характеристика |
|---|---|---|---|
| CAT40 | США | VMC среднего размера | Наиболее распространен в Северной Америке; 7:24 конус |
| КАТ50 | США | Большой VMC/HMC | Более тяжелые резы, обычно более низкая скорость шпинделя. |
| БТ30/БТ40 | Япония | VMC малого и среднего размера | Сбалансированная конструкция со шпильками; распространен в Азии/Европе |
| HSK-A63 | Германия | Высокоскоростной ВМК | Полый конус; контакт как на конусе, так и на грани; превосходная жесткость при высоких оборотах |
| Капто (C5, C6) | Швеция (Сандвик) | Токарно-фрезерные центры | Многоугольная конусность; отличная передача крутящего момента; используется в токарно-фрезерных центрах |
Помимо основных категорий, широкий спектр специализированных фрез расширяет возможности вертикальных обрабатывающих центров без дополнительных операций на других станках.
Фрезы для Т-образных пазов обрабатывают характерные Т-образные пазы, используемые в столах станков, крепежных пластинах и зажимных системах. Они состоят из боковой фрезы, установленной на хвостовике уменьшенного диаметра. После того, как концевая фреза прорезает вертикальный паз, в дело вступает фреза с Т-образным пазом, чтобы расширить основание. Это деликатная операция, поскольку фреза погружается в заготовку с ограниченным зазором от стружки — необходимы медленная подача, острые пластины и обильная подача СОЖ.
Фрезы «ласточкин хвост» производят угловые профили подрезов, используемые в скользящих соединениях «ласточкин хвост», направляющих и некоторых приспособлениях. Они доступны в конфигурациях под углом 45°, 60°, а также в нестандартных угловых конфигурациях. Поскольку режущая кромка расположена под углом, а диаметр инструмента должен проходить через более узкую прорезь, эти инструменты особенно чувствительны к биению и требуют очень точной настройки. Типичные области применения включают направляющие типа «ласточкин хвост» для станков, детали для деревообрабатывающих приспособлений и функции точного выравнивания сборок.
Фрезы для снятия фасок создают угловые заходы на кромках отверстий и внешних углах, что улучшает сборку, внешний вид и снижает концентрацию напряжений. Стандартные углы: 90° (для фасок 45°), 82° и 60°. Зенкеры выполняют аналогичную функцию для крепления крепежа. На станке VMC эти инструменты можно запрограммировать на получение одинаковой глубины фасок на десятках отверстий за одну операцию, что гораздо более последовательно, чем удаление заусенцев вручную.
VMC, оснащенные высокоскоростными шпинделями (20 000–60 000 об/мин) и контроллерами движения с высоким разрешением, могут использовать микроконцевые фрезы диаметром всего 0,010 дюйма (0,25 мм) для гравировки, маркировки и обработки микроструктур. Гравировка используется для маркировки номера детали, гравировки логотипа на вставках пресс-форм и декоративной обработки. Эти инструменты исключительно хрупкие и требуют точной настройки, низких скоростей подачи на зуб и минимального биения — часто менее 0,0001 дюйма.
Для высокоскоростной обработки закаленных сталей (свыше 55 HRC) и чугуна керамические (SiAlON, нитрид кремния) и CBN (кубический нитрид бора) пластины обеспечивают скорость резания в 5–10 раз выше, чем стандартный твердый сплав. Пластина CBN из закаленной инструментальной стали D2 может работать со скоростью 800–1200 SFM по сравнению со 100–150 SFM для твердого сплава. Это позволяет выполнять твердое фрезерование штампов и форм непосредственно на VMC без шлифовки, что существенно экономит время процесса, когда качество поверхности после твердого фрезерования (Ra 0,4–0,8 мкм) соответствует требованиям чертежа.
Современные вертикальные обрабатывающие центры, особенно те, которые используются в аэрокосмической, медицинской промышленности, производстве пресс-форм и штампов, работают со скоростью шпинделя от 15 000 до 40 000 об/мин. На этих скоростях выбор инструмента существенно меняется, поскольку динамический баланс, биение и термическая стабильность становятся критическими факторами, которые не имеют большого значения при 3000 об/мин.
При 20 000 об/мин несбалансированный инструментальный блок создает центробежные силы, которые вызывают вибрацию шпинделя, сокращают срок службы подшипников и оставляют следы вибрации на готовых поверхностях. Держатели инструментов для высокоскоростной работы VMC сбалансированы Класс качества G2.5 или G1.0 при рабочей скорости согласно ISO 1940-1. Для этого необходимо, чтобы и держатель, и собранный инструмент (режущий инструмент держателя) были сбалансированы как единое целое. Некоторые мастерские инвестируют в балансировочные станки, которые измеряют и отображают дисбаланс шпинделя, не снимая инструмент.
VMC, оснащенные системой подачи СОЖ через шпиндель (TSC), подают СОЖ под давлением — обычно под давлением 70–1000 фунтов на квадратный дюйм — через центр шпинделя, через держатель инструмента и через каналы в режущем инструменте непосредственно к режущей кромке. Для этого требуется инструмент, специально разработанный с внутренними каналами для охлаждающей жидкости. Цельнотвердосплавные сверла, концевые фрезы и расточные оправки доступны с внутренними отверстиями для подачи СОЖ, а их использование на станках VMC с TSC значительно улучшает эвакуацию стружки, срок службы инструмента и допустимые скорости резания при обработке глубоких элементов и сложных материалов.
Выбор правильных отдельных инструментов — это только часть уравнения. То, как инструменты организованы, хранятся, настраиваются и управляются в парке VMC, напрямую влияет на время безотказной работы станка, качество деталей и эксплуатационные расходы.
Предварительная настройка инструмента включает измерение точной длины и диаметра сборки инструмента в автономном режиме — вне станка — и загрузку этих смещений в систему ЧПУ перед использованием инструмента. Это избавляет от необходимости прикасаться к инструментам на станке, экономя 2–10 минут на смену инструмента и обеспечивая точность данных коррекции с первого прохода. Оптические устройства предварительной настройки инструментов с системами видеоизмерений являются стандартными в средних и крупных цехах VMC с точностью измерения ±0,0002 дюйма (5 мкм) или выше.
Современные средства управления ЧПУ на VMC включают системы управления сроком службы инструмента, которые отслеживают, сколько резов, минут или погонных футов было использовано каждым инструментом. Когда инструмент достигает заданного предела срока службы, система управления автоматически вызывает родственный инструмент (дубликат инструмента, загруженный в другой карусельный карман), а не использует изношенный инструмент, который может привести к образованию деталей, выходящих за пределы допуска, или поломке. Это очень важно для автоматизированной и беспилотной обработки. Устройство смены инструмента на 64 гнезда может содержать 8 родственных групп инструментов для наиболее важных инструментов в крупносерийном производстве VMC.
Цеха, которые используют различные семейства деталей на VMC, получают выгоду от поддержки стандартизированной библиотеки инструментов — тщательно подобранного набора сертифицированных инструментов с известными смещениями, подачами и скоростями для каждого материала. Вместо того, чтобы выбирать новую концевую фрезу для каждой работы, программист использует библиотеку из 30–60 предварительно проверенных инструментов, которые всегда доступны на складе. Это сокращает время настройки, повышает скорость программирования CAM и делает режимы резки предсказуемыми.
В таблице ниже представлены практические рекомендации по сопоставлению операций VMC с правильной категорией инструмента, типичными достижимыми допусками и основными соображениями.
| Операция | Основной тип инструмента | Типичная толерантность | Ключевое соображение |
|---|---|---|---|
| Облицовка/поверхность | Торцевая мельница | ±0,001 дюйма плоскостность | Сплав пластины, угол подъема |
| Профилирование/контурирование | Концевая фреза (квадратная или шаровая) | ±0,001–±0,0005 дюйма | Число канавок, биение, отклонение инструмента |
| Сверление отверстий | Твердосплавное спиральное сверло | ±0,002–±0,005 дюйма диам. | Угол при вершине, эвакуация стружки |
| Точный размер отверстия | Скучная голова | ±0,0005 дюйма или лучше | Регулируемость, жесткость, центровка шпинделя |
| Обработка отверстий | развертка | Подходит H7/H6 | Припуск на предварительное сверление, скорость, СОЖ |
| Внутренняя резьба | Метчик или резьбонарезная фреза | Класс резьбы 2B/3B | Компромисс между стилем метчика и резьбовой фрезой |
| 3D обработка поверхности | Сферическая концевая фреза | Ra 0,4–1,6 мкм (чистовая обработка) | Шаг, радиус шара, высота гребешка |
| Твердое фрезерование (>50 HRC) | Фреза с CBN/керамической пластиной | ±0,001" (заменяет шлифовку) | Высокая скорость шпинделя, жесткость, сухая резка |
Что такое вертикальная обработка с ЧПУ? Вертикальная обработка с ЧПУ — это субтра...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕОсновной ответ: какой инструмент на самом деле используется при вертикальном фрезеровании?...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕСтанок с ЧПУ состоит из 7 основных частей: устройство ввода, блок управления станком (MC...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕНаиболее распространенные фрезы, используемые на вертикально-фрезерных станках На...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕСколько будет стоить 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр в 2026 году? В 20...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕКак работает вертикальная машина: основной принцип Вертикальная машина — в частно...
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕ
Китай, провинция Цзянсу, г. Наньтун, промышленный парк посёлка Чжаси (к западу от электростанции «Хуанэн»)
+86-13615235768
+86-15950816906
+86-513-85632766
pan.director@sunwayer.com
Если вы не можете найти ответ на свой вопрос, свяжитесь с нашей дружелюбной командой.
