Трохоидальное фрезерование что это
Трохоидальное фрезерование
Идея заключается в том, что каждый разрез представляет собой круговую дугу, а не движется прямо вдоль линии реза. Преимущество трохоидального фрезерования заключается в том, что оно поддерживает постоянную нагрузку на режущий инструмент, что позволяет использовать более высокую скорость подачи и скорости Трохоидальные пути создают траекторию в форме буквы «D» и не делают полный круг каждый раз. Это ускоряет процесс трохоидального фрезерования.
Нагрузка определяется тем, какая часть окружности фрезы участвует в резании, также называемой «углом зацепления». Траектории постоянной нагрузки имеют постоянные углы зацепления. Обычные траектории имеют гораздо более высокие нагрузки в углах.
В то время как некоторые называют все траектории инструмента HSM с постоянным зацеплением как «трохоидальные», этот термин конкретно относится к траекториям, которые следуют по спирали, показанной на рисунке.
Как и все траектории в стиле HSM, постоянная загрузка означает, что мы можем использовать более высокую скорость подачи и скорость. Но один недостаток трохоидального фрезерования, о котором все беспокоятся, заключается в том, что все эти движения значительно увеличивают износ шариковых винтов и направляющих вашего станка с ЧПУ, особенно если учесть гораздо более высокую скорость подачи и скорости.
Преимущество в скорости обработки обычно составляет 20% или более процентов, но самое большое преимущество заключается в увеличении срока службы инструмента. Преимущество срока службы инструмента еще лучше для таких жестких материалов, как титан.
Трохоидальное фрезерование наиболее продуктивно в сложных условиях обработки, таких как микромеханическая обработка, жесткие материалы и нестабильная обработка.
Трохоидальное фрезерование уменьшает резкие скачки силы резания из-за уменьшения углов при резании. Это полезно для микрообработки, где такие нагрузки легко ломают маленькие и тонкие режущие инструменты.
В действительно экстремальных случаях, когда мы должны уменьшить силы резания за счет скорости удаления материала, мы обнаруживаем, что можем уменьшить силу резания на целых 60%, сохраняя при этом скорости удаления материала в пределах 20% от традиционных методов фрезерования. Это может быть исключительным преимуществом в сложной ситуации обработки, такой как обработка тонких стенок или очень глубоких карманов с помощью инструментов малого диаметра.
Требования для трохоидального фрезерования
Для того, чтобы трохоидальное фрезерование могло использовать свое преимущество, достаточно, чтобы диаметр фрезы не превышал 70% ширины паза.
Трохоидальное фрезерование: самый короткий путь — не прямая
Некоторым инновациям нужно чуть больше времени, чтобы прижиться. Хорошим примером является трохоидальное фрезерование. Сам процесс был разработан несколько десятилетий назад, но лишь благодаря комбинации современных станков, быстродействующих систем управления и соответствующего программного обеспечения для автоматизированного программирования стало возможным оценить полный производственный потенциал этого метода.
Достоинства трохоидального фрезерования звучат многообещающе. Малая сила резания и ее равномерное распределение вдоль всей длины режущей кромки позволяют производить обработку на более высоких скоростях и значительно сократить длительность технологической операции, в то же время продлевая срок службы инструмента и повышая качество обработки. Этот метод также эффективен при обработке высокопрочных и закаленных материалов. Каким образом такое увеличение эффективности стало возможным?
Все уже не так, как раньше
В трохоидальном фрезеровании инструмент вращается с постоянной скоростью. Однако он не выполняет линейные движения с постоянной скоростью подачи, характерные для традиционных инструментов при фрезеровании канавок и кромок, а скорее очень быстро движется по закрученным траекториям, называемым трохоидами (рис. 1). Совмещение подачи и круговых движений изменяет рабочие условия. Подача на зуб fz, ширина резания ae и угол охвата β постоянно меняются.
Традиционная система управления не сможет реализовать такую последовательность движений. Поэтому при работе с современным программным обеспечением для автоматизированного программирования важно найти такое сочетание указанных параметров, при котором средняя толщина стружки, и, соответственно, нагрузка на режущие пластины оставались бы все время неизменными. Это позволит избежать чрезмерной нагрузки на шпиндели и неравномерного распределения усилия, прикладываемого к режущим пластинам. Кроме того, в отличие от традиционного фрезерования, где при врезании в заготовку инструмент зачастую подвергается резкой механической нагрузке, в трохоидальном фрезеровании такой негативный эффект отсутствует.
Рис. 2: Малая сила резания благоприятно сказывается на размерной точности тонкостенных деталей
Это положительно влияет на срок службы инструмента и качество детали. Трохоидальное фрезерование также позволяет производить тонкостенные детали с высоким качеством поверхности и размерной точностью (рис. 2).
Помимо этого, трохоидальное фрезерование значительно уменьшает термическую и механическую нагрузку на режущую кромку. Это связано с тем, что чем шире угол охвата, тем больше тепла, вырабатываемого в процессе обработки, передается на кромку инструмента. При трохоидальном фрезеровании угол охвата в процессе обработки составляет от 10° до 80°, что значительно меньше угла 180°, используемого для традиционного фрезерования канавок. Причина кроется в меньшем диаметре инструмента. При фрезеровании канавки с помощью трохоидального метода диаметр инструмента должен быть на 30% меньше диаметра канавки, чтобы дать инструменту возможность совершать круговые движения. Таким образом, меньший угол охвата и, соответственно, меньшая сила резания позволяют использовать инструменты с более длинной режущей кромкой.
Рис. 3: Трохоидальное фрезерование кармана при помощи DHC Hardline производства LMT Fette
Это означает, что в случае необходимости деталь может быть обработана за один проход, без изменения осевой подачи. Но это в теории. А что насчет практики?
Практический тест: трохоидальное фрезерование сокращает время обработки карманов на 70%
Машиностроительное предприятие изготовляет шайбы из легированной хром-молибден-ванадиевой стали. В процессе производства в изделии выполняются карманы размером 130 x 55 x 22 мм и твердостью 48 по шкале Роквелла (рис. 3). Раньше оператор использовал режущие инструменты с индексируемыми пластинами (диаметр 20 мм).
Рис. 4: Трохоидальное фрезерование существенно сокращает время обработки и увеличивает срок службы инструмента
Чтобы протестировать метод трохоидального фрезерования, производитель решил использовать твердосплавную торцевую фрезу DHC HARDLINE от компании LMT Fette диаметром 12 мм, снабженную 4 режущими пластинами. Скорость резания составила 300 м/мин, а глубина резания ap – 22 мм, т.е. почти 2 x D. Максимальный угол охвата составил 24° при радиальной глубине ae = 0,5 мм.
Результат впечатляет. Время обработки сократилось с 12 до 3,7 минуты, а значит, экономия времени составила по крайней мере 70% (рис. 4). В то же время, если при традиционном фрезеровании одной пластины хватало на обработку 2 деталей, при трохоидальном фрезеровании инструмент даже после обработки 6 деталей не носил следов критического износа.
Приведенный выше пример наглядно демонстрирует потенциал трохоидального фрезерования. Этот метод доказал свою эффективность в решении большого количества задач. Осталось ответить только на один вопрос: когда вы будете готовы сменить траекторию?
Также смотрите видео про трохоидальное фрезерование по этой ссылке.
Источник материала: перевод статьи
THE SHORTEST PATH IS … A CURVE,
LMT Tool Systems GmbH
Автор статьи:
Клеменс Мор (Clemens Mohr),
руководитель учебного центра
компании LMT Tools
Трохоидальное фрезерование что это
Компания «Вайнгартнер Машиненбау» внедряет трохоидальное фрезерование на многофункциональных центрах для предоставления заказчикам готового комплексного решения по фрезерованию пазов сложной формы («елочки»). В представлении «Вайнгартнер» готовое решение — это проект «под ключ»: начиная с рекомендаций по режущему инструменту до подбора подходящего модуля программного обеспечения и заканчивая инновационным процессором на основе оптимальной металлообрабатывающей платформы. Другими словами, действительно полноценное решение! Такие прогрессивные стратегии фрезерования находят свое применение в производстве крупногабаритных роторов газовых и паровых турбин.
Оперируя такими понятиями, как вихревое фрезерование, волновое фрезерование и фрезерование кольцевых пазов, производители оборудования держат своих клиентов в курсе всех новых достижений, которые стали возможными благодаря последнему поколению оборудования для трохоидального фрезерования. Интерес к этой технологии небезоснователен, более того, причины этому три: снижение продолжительности обработки более чем в два раза, 10‑кратное увеличение срока службы инструмента и возможность обрабатывать даже самые сложные материалы, такие как никелевые сплавы, титан, алюминий и упрочненные стали.
Безусловно, трохоидальное фрезерование нельзя назвать новой технологией. Динамические методы фрезерования существуют на рынке уже много лет. Однако применение их на практике оказалось непростой задачей, с которой смогли справиться только с появлением последних поколений станков. И здесь мы хотели бы подчеркнуть три фактора успеха, которые позволили наконец осуществить этот технологический прорыв.
Прежде всего, первостепенное значение имеет высокая производительность современных процессоров, ведь трохоидальное фрезерование характеризуется более сложной траекторией перемещения инструмента, чем в традиционном черновом резании. Для расчета этих траекторий нужна значительная вычислительная мощность, которую не могли обеспечить прежние станки.
Во‑вторых, управление сложными траекториями движения инструмента невозможно без интеллектуального программного обеспечения. К настоящему времени мощные CAD/CAM-системы последнего поколения уже предлагают автономное, или офлайн, программирование сложных траекторий инструмента. Такие системы можно встроить и на имеющееся оборудование.
Третий фактор успеха, определивший возвращение современной трохоидальной технологии, — это собственно режущий инструмент. При трохоидальном фрезеровании фреза врезается в обрабатываемую деталь на всю глубину, поэтому режущая поверхность выполнена по всей длине хвостовика, а не ограничивается только торцом фрезы. Высокие радиальные нагрузки, действующие на режущий инструмент, накладывают требование стабильной геометрии центра. Твердосплавная пластина и покрытие на режущем элементе должны обладать высокой устойчивостью к резким колебаниям температур, чтобы исключить появление волосяных трещин и поломку зубьев фрезы.
Каковы недостатки трохоидального фрезерования? Есть ли у него какие-либо эксплуатационные или физические ограничения, которые нужно иметь в виду? Есть ли обратная сторона медали?
Стоимость станков для трохоидального фрезерования обычно выше, чем у традиционного оборудования для фрезерования, и модернизация CAD/CAM-системы тоже стоит денег. Но экономия из-за сокращения времени обработки и увеличенный ресурс инструмента обычно с лихвой покрывают эти дополнительные инвестиции.
Что касается ограничений, то они зависят от конкретного применения и заложены либо в самой обрабатываемой детали, либо в конфигурации станка, используемого для фрезерования.
Какой принцип работы трохоидального фрезерования и где оно применяется?
В первую очередь необходимо понять принцип работы. В этой технологии фреза не перемещается впередназад, как в классическом фрезеровании, а описывает круговую траекторию. Если быть более точным, то фреза совершает движение по эллипсам, с наложением одного на другой при ее одновременном линейном перемещении (рис. 1).
Рис. 1. Траектория движения фрезы в трохоидальном фрезеровании
Таким образом, угол контактного давления режущей кромки сохраняется неизменным, благодаря чему фреза перемещается в материале с постоянным усилием и скоростью. В результате мы получаем высокую скорость подачи инструмента без необходимости ее снижения под меняющийся профиль детали.
Этим объясняется практичность применения такого динамического процесса для контурного фрезерования, в частности, для фрезерования пазов и канавок. Для больших плоских поверхностей традиционное черновое фрезерование с параллельными траекториями движения инструмента является более целесообразным.
Кроме того, станок, используемый для трохоидального фрезерования, должен иметь высокую динамику движения по осям, в противном случае длинные траектории перемещения сведут на нет все преимущество от сокращенного времени обработки.
Трохоидальное фрезерование может, таким образом, применяться на станках, чья конструкция предусматривает ускоренное перемещение шпинделя. Для обработки деталей относительно стандартных размеров на мало- и среднегабаритных обрабатывающих центрах трохоидальное фрезерование зарекомендовало себя как удобная и понятная операция для выполнения канавок.
Однако ситуация меняется, когда нужно обработать большую деталь на крупногабаритном фрезерном обрабатывающем центре. Например, фрезерование так называемых пазов «елочка» на роторах паровых и газовых турбин. Подвижная колонна крупного фрезерного обрабатывающего центра может достигать свыше 6 футов в высоту с весом до 20 тонн. Перемещение такой массы по высокодинамичной циклической траектории быстро приведет к полному разрушению и отказу подшипников и движущихся частей.
Трохоидальная фрезерная головка TMU 400 от «Вайнгартнер Машиненбау»
Фрезерная головка TMU 400 представляет собой воплощение последних инноваций от «Вайнгартнер Машиненбау». Будучи разработана для обрабатывающих центров MPMC, также являющихся продукцией компании, она может автоматически устанавливаться при помощи интегрированной станции для смены головок взамен любой другой обрабатывающей головки, используемой на MPMC (рис. 2).
Рис. 2. Вал генератора для газовой турбины
Состыковавшись с подвижной колонной, фрезерная головка позиционируется на обрабатываемой детали. Огромная подвижная колонна фрезерного обрабатывающего центра MPMC начинает относительно медленное поступательное перемещение, в то время как шпиндель TMU 400 передает высокодинамичное циклическое движение фрезерной головке.
Будучи не связана с движением подачи подвижной колонны, фрезерная головка TMU 400 может нарезать пазы «елочка» на валу генератора паровых и газовых турбин (рис. 3) в трохоидальном режиме, не вызывая никакого заметного износа на подшипниках или подвижных деталях станка. Такая конфигурация позволяет качественно выполнить операцию, при этом не допуская повреждений или износа оборудования.
Рис. 3. Паз «елочка» на валу генератора
Таким образом, «Вайнгартнер Машиненбау» делает доступной стратегию трохоидального фрезерования на фрезерных обрабатывающих центрах даже для самых крупногабаритных деталей, сохраняя все ранее упомянутые преимущества этого вида обработки.
С современными фрезерными обрабатывающими центрами от «Вайнгартнер Машиненбау» заказчику нет никакой необходимости приобретать или модернизировать программную систему CAD/CAM. Являясь поставщиком комплексного решения, компания разработала универсальный макроцикл, благодаря которому координатное управление очень легко программируется и настраивается независимо от программной станции, при этом код управляющей программы не превышает двух строк.
Типичная область применения контурного фрезерования на валу или роторе генератора — это паз шириной 1.2”, глубиной 2.6” и длиной 4.7”, выполненный по высоколегированной стали. Длительность обработки такого паза с трохоидальной головкой TMU 400 на многофункциональном обрабатывающем центре MPMC от «Вайнгартнер Машиненбау» может составить менее 30 секунд при сохранении полной надежности процесса (рис. 4, 5). Это дает сокращение времени обработки более чем на 50%.
Срок службы инструмента на новой трохоидальной головке TMU 400 также отвечает ожиданиям заказчиков. Здесь используется инструмент, специально разработанный для фрезерования пазов «елочка» в сотрудничестве с нашими постоянными партнерами-инструментальщиками. Итог: ресурс инструмент вырос в 10 раз.
Рис. 4. Устройство смены фрезерной головки на фрезерном обрабатывающем центре MPMC производства «Вайнгартнер Машиненбау»
Рис. 5. Трохоидальная фрезерная головка TMU 400 во время рабочей операции
Наше уникальное преимущество и аргумент в пользу Вайнгартнер
«Вайнгартнер Машиненбау» является единственным производителем фрезерных обрабатывающих центров, который может предложить своим заказчикам возможность обработки крупногабаритных деталей с применением стратегии трохоидальной обработки.
Используя инновационные обрабатывающие головки на надежных фрезерных обрабатывающих центрах, можно добиться эффективной и высокоточной обработки валов и роторов генераторов для паровых и газовых турбин любого размера весом до 80 тонн. Полноценная технология обработки с индивидуально адаптированной управляющей программой и инструментальной оснасткой — вот что такое комплексное решение для энергетической отрасли от компании «Вайнгартнер Машиненбау».
Ведущие игроки энергетического сектора уже более 50 лет доверяют нашим концепциям мехобработки. Основанная в 1965 году группа компаний «Вайнгартнер» насчитывает 600 сотрудников по всему миру. Компания специализируется на производстве крупногабаритных фрезерных обрабатывающих центров, выходит на международные рынки с представительствами в Северной Америке, Китае и России. Являясь экспертом в области энергетического, нефтегазового, тяжелого машиностроения и полимерной отрасли, «Вайнгартнер Машиненбау »сохраняет верность традиции комплексного клиентского обслуживания, всегда ориентированного на удовлетворение индивидуальных потребностей заказчика.
Контактная информация:
«Вайнгартнер Машиненбау ГмбХ»
Дипл. инженер Томас Экзенбергер
Маркетинг
4656 Кирхам 29, Австрия
Тел.: +43 7619 2103 15
t.exenberger@weingartner.com
Источник журнал «РИТМ машиностроения» № 4-2019
Высокоскоростное трохоидальное фрезерование
Определение
Трохоидальное фрезерование может быть охарактеризовано как круговое фрезерование с одновременным линейным перемещением. Фреза снимает повторяемые «слои“ материала за счет последовательных спиральных проходов в радиальном направлении. Этот метод предъявляет повышенные требования к программированию и возможностям станка. Данный вид фрезерования представлен в двух видах: статическое и динамическое фрезерование.
Статическое трохоидальное фрезерование целесообразно использовать при обработке пазов. Сейчас давайте вспомним традиционный метод обработки фрезой в «полный» паз.
Как известно из теории резания, когда ширина фрезерования будет равна диаметру фрезы, иными словами, когда фреза работает всем диаметром, то при входе в контакт зуба фрезы с заготовкой образуется толстая стружка, а на выходе – очень тонкая. Тонкая стружка отводит меньше тепла, чем толстая, поэтому большая часть выделенного тепла остается в зоне резания, то есть передается на режущую кромку. Получается фреза сначала работает попутно, затем встречно. Этот фактор значительно сокращает ресурс инструмента, и не дает возможности обработки с большой глубиной резания и подачей, особенно это касается материалов с высокой прочностью. Все эти недостатки и результат при данном методе фрезерования сведем в несколько пунктов:
Ограничения при фрезеровании в полный паз
Это приводит к тому, что:
Теперь рассмотрим метод трохоидального фрезерования паза. Первое условие – ширина паза должна быть больше диаметра фрезы.
Метод высокоскоростного фрезерования основывается на расчете толщины стружки исходя из следующих параметров:
— угла в плане и подачи на зуб
В результате расчетов есть некоторая зависимость между шириной фрезерования Ае и толщиной стружки Hm (при условии, что угол в плане фрезы будет равным 90⁰
100% Диаметра фрезы «полный паз»
Мы видим что при уменьшении ширины фрезерования уменьшается и толщина стружки, чтобы этого избежать и увеличить толщину стружки надо повысить подачу на зуб Fz.
Также на ширину стружки влияет угол наклона винтовой линии у монолитных концевых фрез.
То есть чем больше угол спирали, тем тоньше стружка и есть вариант повысить подачу.
Далее увеличиваем скорость резания. При малом контакте инструмента с заготовкой (малой толщине стружки) образуется меньше тепла, т к времени в резании инструмент проводит меньше, в результате чего значительно меньше нагревается – за счет этого можно увеличить скорость резания. Зависимость ширины резания от нагрева в зоне резания представлена в таблице.
Используя все эти преимущества в малой ширине фрезерования покажем как это применяется в статическом трохоидальном фрезеровании:
Из рисунка видно, что диаметр фрезы примерно 60-70% от общей ширины паза. Этот параметр оптимальный для того, чтобы инструмент совершал ряд круговых движений со смещением, равным параметру Ае (Ширине фрезерования). Как бы постепенно врезался в металл и выходил в воздух. На этом и основывается метод трохоидального фрезерования.
В большинстве ЧПУ системах данный метод без труда можно запрограммировать и оптимизировать превратив холостое перемещение по круговой линии в прямое перемещение, то есть траектория движения буквой D.
САD/CAM система будет постоянно «следить» за толщиной стружки, трансформируя для этого траекторию движения.
Требования для статического трохоидального фрезерования:
Для динамического метода ко всему вышеперечисленному нужно иметь САD/CAM систему
Особенно эффективно применять метод трохоидального фрезерования при обработке жаропрочных и закаленных материалов
Какую пользу получают предприятия при применении высокоскоростного/ трохоидального фрезерования?
Быстрее обрабатывается деталь
Экономия средств
Безопасность и надёжность обработки
О компании
Компания ООО Технический Центр «Базис» основана в 2011 году. В 2015 году был открыт дополнительный офис в городе Челябинске.
Более 150 клиентов доверяют нам.
ООО Технический «Базис» является авторизованным дистрибьютором на территории УРФО (Свердловской, Курганской, Тюменской областей и ХМАО, ЯНАО) и поставляет металлорежущий инструмент следующих брендов, занимающих лидирующее положение в мире по критериям цены и качества: WIDIA, VARGUS, HANITA, KFH, SHAVIV, DC, D’ANDREA, GUHRING, TOOLGAL, STRAUSS, GERARDI.