Фрезерование стали: методы и проблемы

О чем речь? Фрезерование стали осуществляют с учетом ее вида и марки. Так, нержавеющая склонна к самоупрочнению и плохому отводу тепла из зоны обработки, а твердосплавная требует постоянной загрузки стружки.

На что обратить внимание? Для качественной обработки необходимы специальные фрезы, пригодные к высокой скорости реза (от 150 об/мин) и не теряющие своих качеств при высокой температуре.

Особенности фрезерования стали

Классификация нержавеющих сталей по структуре:

• ферритная,
• мартенситная,
• аустенитная,
• дуплексная.

Так как в составе всех этих разновидностей разное содержание легирующих элементов, требования к процессу фрезерования также отличаются. Некоторые марки обрабатываются в обычном режиме.

Мартенситная сталь содержит хром (12-17 %) поэтому для обработки фрезой необходимо более высокая скорость резки, чтобы быстро и достаточно легко пройти микроструктуру игольчатого типа, которая наблюдается в закаленных металлических сплавах. Аустенитная и дуплексная сталь при проведении операции фрезерования склонны к повышенному износу. Режущая кромка инструмента в месте контакта разогревает поверхность, за счет чего могут образовываться сколы и заусенцы. По этой причине такие участки деталей или заготовок требуют добавочной обработки, что приводит к дополнительному расходованию ресурсов.

На первом (черновом) этапе токарю необходимо:

• повысить скорость работы станка. За счет этого слои в теле заготовки будут сниматься более равномерно;
• не применять смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) для того, чтобы в процессе обработки не образовывались термические микротрещины.

После того, как выбрана основная необходимая масса материала, мастер приступает к чистовому фрезерованию стали, соблюдая следующие рекомендации:

• использование тумана из мелких частиц масла для формирования защитной пленки на операционной поверхности с целью снижения вероятности образования сколов и заусенцев. Смазочно-охлаждающие жидкости также выполняют функцию охлаждения места контакта режущего инструмента и заготовки;
• применение керметов при сухом фрезеровании сталей;
• осуществление контроля износа рабочей пластины во время резки для того, чтобы избежать повреждения внешней кромки металла.

Фрезерование нержавеющей стали

Коррозионностойкие стали за счет большого содержания в сплаве легирующих добавок достаточно трудно обрабатывать резанием, в том числе и при помощи фрезы. По этой причине для каждого из типов нержавеющей стали разработаны специальные режимы фрезерования, которые позволяют наиболее оптимальным способом произвести обработку и повысить производительность отдельных операций.

Факторы, приводящие к затруднениям при обработке деталей резанием:

• Нагартовка (наклеп). Так называют повышение прочности металла или сплава вследствие изменения их структуры в процессе пластической деформации, вызванного воздействием режущей кромки инструмента. Иногда обрабатываемый слой становится настолько твердым, что повторные проходы фрезы не позволяют достичь желаемого результата. Одной из причин, приводящих к этому эффекту, является некачественная заточка или износ резца (или фрезы).
• Снижение теплопроводности. По этой причине происходит нагрев зоны контакта. Тело заготовки и снимаемая стружка поглощают небольшое количество тепла, поэтому режущий инструмент быстрее изнашивается вследствие интенсивного перегрева.
• Наличие легирующих элементов. Значительная доля кремния, марганца, титана, никеля и других добавок приводит к увеличению твердости и прочности. Фрезерование нержавейки затруднено по сравнению с резанием углеродистых сталей. Инструмент испытывает гораздо более высокие нагрузки и быстрее выходит из строя.
• Налипание фрагментов металла на режущую кромку резца. Это изменяет угол атаки, и для снятия стружки необходимо приложить большие усилия.
• Неправильный отвод стружки. Если неверно выбран инструмент или режим обработки, на детали образуются царапины и заусенцы.

Методы повышения эффективности фрезерования коррозионностойких сталей:

• Использование специальных резцов, изготовленных из твердых прочных сплавов. Важное значение имеет способ заточки. Подобные инструменты с острой кромкой в меньшей степени деформируют обрабатываемый слой, снижая нагрев. Кроме того, сама фреза гораздо устойчивее к воздействию повышенных температур.
• Выбор оптимального режима фрезерования стали. Нужно понимать, что толстая стружка отводит больше тепла. Следовательно, при обработке заготовок из легированных сталей нужно выбирать максимально возможную глубину реза в проходе со значительной подачей. Ограничением здесь являются тип и мощность станка; марка стали, из которой сделана деталь; материал и состояние фрезы. Следует учитывать, что этот метод не применим при чистовой обработке.
• Использование смазочно-охлаждающей жидкости. Правильно подобранная ее разновидность является важным фактором производительности и качества обработки заготовки из нержавеющей стали на фрезерном станке, а также поддержание характеристик резца в течение цикла до очередной заточки. Рекомендованное содержание масла – не менее 8 %. Нормой для обработки углеродистых сталей без легирующих добавок является значение этого показателя в 3-4 %. Большое значение имеет и давление, под которым жидкость поступает в пятно контакта. Чем оно выше, тем эффективнее отводится тепло.

Фрезерование твердосплавной стали

Стратегия постоянной подачи стружки

При высокоскоростной обработке большое значение имеет усилие подачи, которое обеспечивает постоянную зацепку режущей кромки инструмента с заготовкой. Подобная технология способствует продлению срока службы фрезы и позволяет достичь превосходного качества поверхности. Формула, по которой можно определить значение параметра:

Нагрузка стружки = скорость подачи ÷ скорость шпинделя × количество лезвий.

При переменном режиме подачи стружки (слишком высокая или, наоборот, низкая) значительно повышается износ режущего инструмента.

Труднее всего поддерживать постоянную нагрузку стружки при фрезерной обработке обычного трехмерного профиля при изготовлении штампов. Простые алгоритмы обеспечивают высокую линейную скорость резания и значительную подачу фрезы. Однако, когда происходит обработка геометрически сложных деталей, программа не может обеспечить должный контроль за нагрузкой на инструмент. Например, когда фреза занимает положение в 90⁰ от исходного, угол входа в тело заготовки увеличивается в два раза. Кроме того, возрастает и сила резания. В этом положении необходимо уменьшить скорость подачи. Иначе фреза очень быстро износится или совсем выйдет из строя. Токарь может вручную регулировать скорость подачи с помощью контроллера перегрузки подачи. В станках с числовым программным управлением это происходит автоматически.

Применение многофункционального программного обеспечения

Оно необходимо для гарантированной постоянной подачи стружки. В отличие от стандартных алгоритмов кулачковая система, обеспечивающая высокую производительность, может построить более сложную траекторию подачи фрезы. Кроме того, программа способна контролировать усилие врезание кромки в тело заготовки, необходимое в данный момент времени. Несмотря на то, что стоимость автоматизированной системы достаточно высока, ее применение в производстве оправдано и быстро окупается. В последнее время отмечается существенное развитие технологий, использующих программное обеспечение VERICUT Force.

При фрезеровании сталей разных марок важную роль играет функция системы управления станком. Эффективная высокоскоростная обработка резанием невозможна без станка с большой вычислительной мощностью. Программа должна постоянно обрабатывать плотный поток информации обо всех изменениях ключевых параметров для того, чтобы оперативно вносить изменения в режим фрезерования деталей из нержавеющей стали. В результате время цикла может быть сокращено на 25 %, тем самым повышается производительность. Кроме того, увеличивается ресурс фрезы и улучшается качество обработки поверхности.

Выбор инструмента

К точности изготовления деталей высокотехнологичных изделий предъявляются все более жесткие требования. Такое положение вещей привело к пересмотру качества режущих инструментов. Например, еще совсем недавно норма допуска радиального размера фрезы со сферическим концом составляла 10 мкм. Теперь этот стандарт близок к 5 микрометрам. У деталей, которые подвергаются обработке шаровой концевой фрезой с достаточно низкой точностью формовки, довольно трудно обеспечить требуемый квалитет точности. К некоторым пресс-формам для экструзии жидкого силикона точность посадки составляет всего 2 мкм. Поэтому при фрезеровании сталей большое значение приобретает качество режущего инструмента.

Обработка твердых материалов (например, закаленных сталей) сопровождается повышенным выделением тепла. Поэтому многие твердосплавные концевые фрезы при изготовлении покрывают нитридом алюминий титана (AlTiN). Это соединение имеет выдающуюся твердость и стойкость к высоким температурам и окислению.

Для увеличения термостойкости также используют микрокристаллическую твердосплавную матрицу высокой твердости, содержание кобальта в которой 8 %, а режущая кромка заточена таким образом, что ее передний угол имеет отрицательное значение. Это делается для защиты от разрушения. При тонком фрезеровании стали допустимо использование инструмента из кубического нитрида бора (CBN), а концевые фрезы с лезвиями весьма эффективны при черновой обработке заготовки.

Проблемы при фрезеровании стали

На производстве может возникнуть необходимость изготовления различных деталей из стали. Но не каждое предприятие имеет специализированное оборудование. Поэтому подбор режущего инструмента и режимов фрезерования стали осуществляется зачастую экспериментальным путем. Конечно, рекомендации производителя фрез будут полезны, но для успешной обработки требуется знание о характерных особенностях работы по сталям.

Например, для предотвращения спекания стружки и засорения спиральных канавок фрезы нужно выбирать высокоскоростной режим резки (около 150-250 м/мин). Это приводит к выделению большого количества тепла. Тем не менее, в некоторых случаях применение смазочно-охлаждающих жидкостей ограничено. Ведь твёрдосплавные фрезы термоустойчивы. А неконтролируемая подача жидкости может исказить общее температурное поле в месте контакта инструмента и поверхности детали. По этой причине произойдет преждевременный износ. Иногда жидкостное охлаждение заменяется на принудительный обдув воздухом, а если используются твердосплавные фрезы, то обходятся и без него.

К факторам, приводящим к поломке инструмента, также следует отнести повышенную ударную нагрузку. Некоторые модели фрезерных станков не предназначены для обработки твердых сплавов, поэтому обладают недостаточной общей жесткостью и устойчивостью станины. Это приводит к возникновению вибрации, которая передается на режущий инструмент, что способствует образованию сколов на фрезе и заусенцев на заготовке. Готового рецепта решения этой проблемы не существует. Исправить баланс станка при помощи подручных средств не получится. Снижение подачи не обеспечит нужной точности и качества обработки.

Отметим, что концевые фрезы из быстрорежущей стали менее чувствительны к высокой вибрации. Кроме того, их стоимость ниже, чем у твердосплавных. На некоторых режимах фрезерования стали допустимо применение охлаждающей жидкости.

Часто задаваемые вопросы о фрезеровании стали

В чем состоит специфика работы на фрезерных станках с числовым программным обеспечением?

Подобное программируемое оборудование значительно облегчает обработку заготовок. Но токарь при проведении различных операций может столкнуться с рядом проблем. Одной из таких трудностей является отвод стружки из операционного поля. Контролировать этот процесс вынужден оператор. Кроме того, ему необходимо знать параметры конкретных марок стали для того, чтобы выбрать оптимальный режим работы.

Как надо фрезеровать ферритную сталь?

Свойства ферритной и обычной низкоуглеродистой стали, подвергшейся закаливанию, достаточно похожи. Мартенситы представляют собой прочную игольчатую структуру. Причем твёрдость возрастает с увеличением концентрации углерода, но только до определенного критического значения. Фрезерование этих марок стали требует правильного позиционирования и траектории инструмента при резке. Важна также скорость подачи. За счет этого можно снять прочный слой и обеспечить безопасность технологической операции.

Как сохранить инструмент от преждевременного износа?

Для продления срока службы фрезы рекомендуется:

• Применять смазочно-охлаждающие жидкости в соответствии с требованиями обработки конкретных марок стали.
• Обеспечить равномерный и постоянный отвод стружки.
• Использовать виброгасители.