Трохоидальное фрезерование: принципы, параметры и лучшие варианты использования

Трохоидальное фрезерование - это высокопроизводительная стратегия обработки, которая произвела революцию в способе обработки труднообрабатываемых материалов и создания глубоких пазов. В отличие от обычного фрезерования, когда инструмент задействует большую часть заготовки по линейной траектории, трохоидальное фрезерование использует серию круговых или винтовых движений в сочетании с поступательным движением. Эта уникальная траектория инструмента обеспечивает постоянно низкое радиальное зацепление, что приводит к значительным преимуществам с точки зрения срока службы инструмента, скорости удаления материала и качества поверхности.

Принципы трохоидального фрезерования

Основной принцип трохоидального фрезерования заключается в управлении дугой зацепления между режущим инструментом и заготовкой. При традиционном нарезании пазов или резке на всю ширину режущий инструмент задействует 180 градусов или более материала, что приводит к высоким силам резания, увеличению тепловыделения и быстрому износу инструмента, особенно в твердых материалах или при глубокой резке. Однако трохоидальное фрезерование манипулирует траекторией инструмента, чтобы поддерживать радиальное зацепление (Ae) на постоянном низком уровне, обычно от 5% до 20% от диаметра инструмента.

Это достигается путем перемещения инструмента по серии «трохоид» — траекторий, напоминающих циклоиду. Представьте себе точку на окружности круга, когда этот круг катится по прямой; по сути, это трохоида. При фрезеровании инструмент выполняет небольшое круговое движение, одновременно продвигаясь по желаемой траектории резания. Это непрерывное зацепление и разъединение режущих кромок означает, что каждый зуб входит в рез и выходит из него плавно, уменьшая ударные нагрузки и предотвращая чрезмерное накопление тепла.

Преимущества этого контролируемого зацепления многогранны. Во-первых, уменьшенное радиальное зацепление позволяет значительно увеличить осевую глубину резания (Ap). Это означает, что вы можете резать глубже в материал за один проход, значительно увеличивая скорость удаления материала. Во-вторых, более низкие силы резания и более равномерная нагрузка на стружку значительно продлевают срок службы инструмента. Выделяемое тепло распределяется более равномерно по режущим кромкам, а риск сколов или преждевременного износа сводится к минимуму. В-третьих, постоянная толщина стружки и улучшенное удаление стружки, присущие трохоидальному фрезерованию, способствуют лучшему качеству поверхности и уменьшению наклепа, что особенно важно для таких материалов, как нержавеющая сталь и суперсплавы.

Ключевые параметры трохоидального фрезерования

Оптимизация трохоидального фрезерования требует тщательного рассмотрения нескольких взаимосвязанных параметров:

• Радиальное зацепление (Ae): Как обсуждалось, это самый важный параметр. Обычно его поддерживают на низком уровне, часто от 0,05D до 0,20D (где D — диаметр инструмента). Меньшее значение Ae приводит к снижению сил резания и увеличению срока службы инструмента, но может потребовать большего количества трохоидальных проходов.

• Осевая глубина резания (Ap): Она может быть значительно выше при трохоидальном фрезеровании по сравнению с обычными методами. Часто рекомендуется использовать полную длину канавки концевой фрезы, максимально задействуя режущие кромки и равномерно распределяя износ. Ap может составлять от 1D до 5D или даже больше, в зависимости от инструмента и материала.

• Скорость подачи (Fz / Vf): Благодаря низкому радиальному зацеплению и стабильным условиям резания трохоидальное фрезерование позволяет использовать гораздо более высокие скорости подачи на зуб (Fz) и, следовательно, более высокие скорости подачи стола (Vf). Часто можно увидеть скорости подачи, которые в 2–5 раз выше, чем те, которые используются при обычном фрезеровании для одного и того же материала.

• Скорость вращения шпинделя (RPM): Как и в случае со скоростью подачи, часто используются более высокие скорости вращения шпинделя для поддержания адекватной скорости поверхности на режущей кромке и обеспечения эффективного образования стружки.

• Трохоидальный шаг (STR): Это относится к расстоянию, на которое центр трохоидальной траектории продвигается с каждым полным трохоидальным циклом. Он напрямую влияет на количество удаляемого материала за проход и должен быть тщательно сбалансирован с радиальным зацеплением, чтобы обеспечить эффективную обработку без перегрузки инструмента.

• Трохоидальный радиус (R): Это радиус круговой траектории, которую инструмент совершает внутри каждой трохоиды. Он напрямую связан с радиальным зацеплением и диаметром инструмента. Больший трохоидальный радиус обычно соответствует более широкому пазу или большему удалению материала за проход, но все же в рамках принципов низкого Ae.

Взаимодействие между этими параметрами имеет решающее значение. Например, увеличение осевой глубины резания требует тщательного управления радиальным зацеплением и скоростью подачи, чтобы предотвратить перегрузку инструмента. Современное программное обеспечение CAM играет жизненно важную роль в расчете и оптимизации этих сложных траекторий инструмента, обеспечивая эффективную и безопасную работу.

Наилучшие варианты использования трохоидального фрезерования

Трохоидальное фрезерование превосходно в конкретных областях применения, где обычное фрезерование испытывает трудности. Его преимущества делают его предпочтительной стратегией для:

• Глубокое нарезание пазов и карманов: Это, возможно, основное применение трохоидального фрезерования. Создание глубоких пазов или карманов, особенно в твердых материалах, заведомо сложно традиционными методами из-за проблем с удалением стружки, высоких сил резания и быстрого износа инструмента. Низкое радиальное зацепление трохоидального фрезерования позволяет выполнять резы на полную глубину, значительно сокращая время обработки и увеличивая срок службы инструмента. Непрерывное очищающее действие траектории инструмента также помогает при удалении стружки.

• Труднообрабатываемые материалы: Такие материалы, как нержавеющие стали, титановые сплавы, Inconel и другие суперсплавы, известны своей высокой прочностью, ударной вязкостью и тенденцией к наклепу. Способность трохоидального фрезерования поддерживать постоянную, легкую нагрузку на стружку и равномерно распределять тепло очень полезна для этих материалов. Это снижает риск наклепа и продлевает срок службы дорогих твердосплавных инструментов.

• Черновые операции: Для операций, требующих высокой скорости удаления материала при черновой обработке, трохоидальное фрезерование исключительно эффективно. Оно может быстро и эффективно удалять большие объемы материала, подготавливая заготовку к последующим чистовым проходам.

• Тонкостенные детали: При обработке деталей с тонкими стенками традиционное фрезерование может вызывать значительные отклонения, приводящие к неточностям размеров или вибрации. Более низкие силы резания и постоянное зацепление трохоидального фрезерования уменьшают эти проблемы, обеспечивая более стабильную обработку хрупких элементов.

• Снижение вибрации: Поддерживая низкие и постоянные силы резания, трохоидальное фрезерование значительно снижает вибрации во время обработки. Это полезно как для срока службы инструмента, так и для долговечности шпинделя станка, а также способствует лучшему качеству поверхности.

• Увеличенный срок службы инструмента: Во всех областях применения наиболее последовательным преимуществом трохоидального фрезерования является значительное увеличение срока службы инструмента. Предотвращая чрезмерное накопление тепла и равномерно распределяя износ, концевые фрезы служат значительно дольше, снижая затраты на инструменты и время простоя станка для замены инструмента.

По сути, трохоидальное фрезерование представляет собой смену парадигмы в стратегиях обработки, отходя от грубого удаления материала к более интеллектуальному, контролируемому подходу. Понимая его принципы и оптимизируя его параметры, производители могут добиться значительного улучшения производительности, долговечности инструмента и качества деталей, особенно при работе со сложными материалами и геометриями.