For øjeblikkelig frigivelse

Transkript

1 For øjeblikkelig frigivelse Kontakt: Seco Tools A/S Park Allé 350A 2605 Brøndby Jannie CHRISTIANSEN Telefon: Styring af mekaniske belastninger ved fræsning Brøndby, august Dette er den tredje i en række artikler, der sammenholder anvendelse af skærende værktøjer med de genererede belastninger i bearbejdningsprocesser. Den første artikel fokuserede på de grundlæggende principper inden for spåntagning og på forholdet mellem værktøjsgeometri, tilspændinger og mekaniske belastninger ved drejeoperationer. Den anden artikel analyserede fræserpositioneringens og værktøjsbanernes indvirkning på de mekaniske belastninger ved fræsning. Nærværende artikel omhandler også fræsning. Den forklarer, hvordan valg af værktøj og skæredata påvirker varmeudvikling, varmeabsorption og varmestyring under de afbrudte spånforløb, som karakteriserer en fræseproces. Termiske udfordringer Spåntagning genererer temperaturer helt op til grader Celsius i den zone, hvor skæræggen deformerer materialet og bryder det. I kontinuerlige drejeoperationer sker opvarmningen på en konstant lineær måde. I modsætning hertil kører fræserens skær periodisk ind og ud af materialet, og skæræggenes temperaturer er skiftevis stigende og faldende. Skær, spåner og emner absorberer den dannede varme ved spåntagningen. Typisk ledes 10 % af varmen ind i emnet, 80 % ind i spånerne og 10 % ind i værktøjet. Det foretrækkes, at spånerne optager hovedparten af varmen, da høje temperaturer afkorter værktøjets standtid og kan skade enmet. 1/6

2 HQ_ILL_Thermal_Factors.jpg Forskellene i termisk ledeevne for de forskellige materialer såvel som andre driftsfaktorer har væsentlig indflydelse på varmefordelingen. For eksempel har superlegeringer en ringe termisk ledeevne. Når materialer med ringe ledeevne bearbejdes, overføres en øget mængde varme til værktøjet. Desuden producerer hårde materialer mere varme end bløde materialer, når de bearbejdes. Højere skærehastigheder vil normalt også øge varmeproduktionen, mens højere tilspændinger udvider det område af skæræggen, som udsættes for højere temperaturer. HQ_ILL_Feed_Rate_And_Temperature_Gradient.jpg Indgrebsvinkel Som følge af fræseprocessens afbrudte spånforløb genererer skæret kun varme i en del af den samlede bearbejdningstid. Det procentvise tidsrum, hvori værktøjet skærer, bestemmes af fræserens indgrebsvinkel, der påvirkes af den radiale spånbredde og fræsediameteren. De forskellige fræsestrategier har forskellige indgrebsvinkler. Ved sporfræsning er fræseren i fuldt indgreb. Det vil sige, at indgrebsvinklen udgør 100 % af værktøjsdiameteren. Skæræggene tilbringer halvdelen af bearbejdningstiden i indgreb i fræsningen, og en hastig varmeudvikling finder sted. Denne situation adskiller sig fra sidefræsning, hvor en relativ lille del af fræseren til enhver tid er i indgreb i materialet, og hvor skæræggene har større mulighed for at afgive varme til luften. HQ_ILL_Different_Arcs_Of_Engagement.jpg Kraftig akkumulering af varme i værktøjet forkorter værktøjets standtid som følge af hurtigere slid eller deformation. Omvendt skal mange værktøjer benyttes ved temperaturer over en kritisk minimumsværdi for at opnå fuld effektivitet. 2/6

3 HQ_ILL_Small_Arc_Of_Engagement_Method.jpg Værktøjer i hårdmetal som består af pulvermetal, er hårdt men sprødt. Temperaturer, der overstiger et bestemt minimumsniveau, øger sejheden af pulvermetalmaterialer og reducerer deres tendens til at knække. I modsætning hertil forbliver værktøjet skørt ved for lave skæretemperaturer, og resultatet er brud, ægskader eller løsæg. Målet er at opretholde en ideel skæretemperaturzone. Spåntykkelse og termiske problematikker Den første artikel i denne serie undersøgte betydningen af radial spånbredde, værktøjsvinkel, tilspænding og spåntykkelse som faktorer til mekaniske belastninger ved fræsning. De samme bearbejdningsfaktorer plus skærehastigheden påvirker ligeledes de termiske belastninger ved fræsning. Spåntykkelsen påvirker termiske forhold og værktøjets standtid ved begge yderligheder. Hvis spånerne er for tykke, kan de resulterende kraftige belastninger skade eller knække skæret. Hvis spånerne er for tynde, foregår spåntagningen på en mindre del af skæræggen, og den øgede friktion og varmeudvikling medfører hurtigt slid på værktøjet. De producerede spåner ved fræsning ændrer kontinuerligt tykkelse under fræsningen i takt med, at skæræggen bevæger sig ind og ud af arbejdsemnet. Derfor bruger værktøjsleverandører begrebet "middelspåntykkelse" til at beregne tilspændinger, som vil opretholde de mest produktive spåntykkelser. Bestemmelse af den korrekte tilspænding involverer faktorer såsom fræserens indgrebsvinkel eller radial spånbredde og værktøjsvinkel. Jo større indgrebsvinkel, des lavere tilspænding kræves der for at generere den ønskede middelspåntykkelse. Samtidig skal en mindre indgrebvinkel matches med en højere tilspænding for at opnå den samme spåntykkelse. Fræserens værktøjsvinkel påvirker også kravene til tilspænding. Den maksimale spåntykkelse fås ved en værktøjsvinkel på 90 grader, hvilket betyder, at mindre værktøjsvinkler kræver en højere tilspænding for at opnå den samme middelspåntykkelse. For at holde spåntykkelsen og temperaturen i skærezonen ved de samme værdier som for en fræser i fuldt indgreb har værktøjsleverandørerne udviklet nogle tabeller og formler, som kræver øgede skærehastigheder i takt med, at det procentvise fræserindgreb reduceres. Hvis eksempelvis hastighedsfaktoren for en fræser i fuldt indgreb (100 % af fræserens diameter i indgreb ) er 1,0, er hastighedskompensationsfaktoren for en fræser med 90-graders værktøjsvinkel med 20 % af dens diameter i spånbredde 1,35. Hvis skærehastigheden for fræseren i fuldt indgreb er 100 m/minut, er den påkrævede skærehastighed for fræseren med kun 20 % af diameteren i indgreb derfor 135 m/minut, hvis en optimal temperatur skal opretholdes. 3/6

4 HQ_ILL_Compensation_In_Milling.jpg Hvis indgrebsvinklen er lille, vil tiden i indgreb ikke være tilstrækkelig til at frembringe den krævede minimumstemperatur til optimering af værktøjets standtid. Idet en øget skærehastighed normalt resulterer i en større varmeudvikling, kan en kombination af en lille indgrebsvinkel med en højere skærehastighed hjælpe til at øge skæretemperaturen til det foretrukne niveau. En højere skærehastighed reducerer desuden det tidsrum, hvori skæræggen er i kontakt med spånen, som igen reducerer mængden af overført varme til værktøjet. Samlet set reducerer højere hastigheder bearbejdningstiden og øger produktiviteten. På den anden side formindsker lavere skærehastigheder bearbejdningstemperaturen. Hvis den producerede varme i en proces er for høj, kan en reduktion af skærehastigheden sænke temperaturen til et acceptabelt niveau. Skæræggens geometri Geometrien af fræseren og dens skær bidrager til styring af de termiske belastninger. Fræserens grundlæggende geometri bestemmer, hvordan værktøjet positioneres i forhold til emnet. Fræsere med skarpe skær producerer færre skærekræfter og genererer mindre varme, samtidig med at de tillader brug af højere skærehastigheder. Et værktøj med positiv spånvinkel er dog svagere end et værktøj med en negativ spånvinkel, og materialets hårdhed og dets overfladebeskaffenhed kan kræve brug af fræsere med negativ spånvinkel. Værktøjer med negativ spånvinkel genererer større skærekræfter og højere skæretemperaturer. Selve skæræggenes geometri er afgørende for skæreprocessen og skærekræfterne og påvirker dermed varmeudviklingen. skærægget kan være faset, afrundet eller skarpt. Fasede eller afrundede kanter er stærkere, men igen produceres der større skærekræfter og mere varme. Et skarpt skæræg er ikke nær så stærkt, men vil reducere skærekræfterne og generere lavere temperatur. T-landet bag skæræggen fører spånen væk og kan være positivt eller negativt med samme kompromis: det positive design giver lavere temperaturer, mens det negative design er stærkere, men forårsager større varmeudvikling. Da skæreprocessen ved fræsning altid er afbrudt, betyder det, at fræseværktøjers spånkontrol i almindelighed ikke er så vigtige som ved drejning. Afhængigt af materialet og den anvendte indgrebsvinkel kan den krævede energi til spåndannelse og spånafgang dog være væsentlig. Snævre ekstra stærke spångeometrier krøller omgående spånen sammen og producerer større skærekræfter og mere varme. Spångeometrier, som er mere åbne, producerer mindre skærekræfter og temperaturer, men kan være uegnede til brug i visse kombinationer af materiale og skæredata. køling Kølemiddel er en anden måde at håndtere varmeudviklingen ved spåntagning på. Da for høje temperaturer kan medføre forøget slid eller deformation af skæræggen, er det vigtigt, at varmen kontrolleres hurtigst muligt. For at sænke temperaturen effektivt kan der ledes køling direkte til varmekilden. Imidlertid er det ekstremt svært, hvis ikke umuligt, at sprøjte kølevæske ind i en højtemperatur-skærezone, hvor trykket mellem spånen og skæræggen er i omegnen af bar. Hertil kommer, at kølemidlet omgående fordamper i dette barske miljø. Kølemiddel er ikke det optimale redskab til at fjerne varmen effektivt under sådanne 4/6

5 forhold, men det kan være til hjælp i en vis udstrækning. Det er ikke fastlagt, præcis hvor stor en forskel en køling gør, og effekten af kølemidler er et emne for sig. Hvis der generelt forventes en høj varmeudvikling, kan der benyttes kølemiddel. Ved sporfræsning vil brug af kølemiddel eksempelvis normalt ikke skade. Det kan være en hjælp til at sænke temperaturen, men omfanget diskuteres. Ved sidefræsning, hvor temperaturen kan forblive lav, er det nogle tilfælde bedst at undgå brug af kølemiddel. Konklusion De mange faktorer, som tilsammen danner de tilstedeværende belastninger ved bearbejdningsopgaver, har ikke særskilte indvirkninger. De påvirker hinanden under hele bearbejdningen. Denne artikel har behandlet termiske problemstillinger ved fræsning, og hvorledes de relaterer til mekaniske faktorer. Kendskab til de individuelle faktorer, der indgår i spåntagningen, samt resultaterne af deres indbyrdes påvirkninger vil være en hjælp for producenter til at optimere deres bearbejdningsprocesser og maksimere produktivitet og rentabilitet. Underartikel: Fordele ved skæredatatabeller Beregnede skæredata ved fræsning foreskriver måder at variere skæreparametrene på i forhold til fræserindgreb og dermed at opretholde en ønsket procestemperatur. En for lav temperatur giver ikke optimale betingelser for skærene. Dette kan medføre skader eller brud på skærene. En for høj temperatur giver hurtigt slid på skæret eller medfører værktøjsdeformation. Hvis der kompenseres med skærdata, kan værktøjets standtid og produktivitet optimeres via afvejede termiske og mekaniske belastninger. Brug af kompensationsfaktorer letter desuden brugen af avancerede fræsestrategier. Når der eksempelvis benyttes HSM-metoder (højhastighedsbearbejdning), der bruger små radiale og aksiale spåndybder, anbefaler værktøjsleverandørens skæredata øgede skærehastigheder. Uden de højere skærehastigheder vil HSM's lille indgrebsvinkel ikke frembringe temperaturer, der er tilstrækkeligt høje til, at værktøjet yder optimalt. Samlet set vil skæredata, der justeres til HSM, øge spånfjernelsesgraden væsentligt. Udvalgte værktøjer til HSM-anvendelser bør være udformet med skarpe skærægge og være slidstærke. Effektiv spånafgang er afgørende, især for blødere materialer såsom aluminium. Værktøjer med store spånrum anbefales. Det er vigtigt, at HSM-maskiner kan køre ved hastigheder, der er høje nok til at opfylde de anbefalede skæredata. Strategier for fræsning i hårde materialer drager også fordel af skæredatajusteringer, som afvejer termiske og mekaniske belastninger. Det anbefales at reducere spåndybden på grund af den store varmeudvikling ved fræsning i hårde materialer. Forudsat at spåndybden og tilspændingen forbliver henholdsvis lille og lav, kan skærehastigheden benyttes til at optimere fræsningsdataene. Værktøjsmaskiner til fræsning i hårde materialer skal være tilstrækkeligt stabile og vibrationsdæmpende for at tillade præcis bearbejdning under store skærekræfter. Stabile værktøjsholdersystemer giver yderligere styrke og modstandsdygtighed over for vibrationer, og lange udhæng bør om muligt undgås. Korte fræsere med flere skær bidrager også til processens stabilitet. Negative spångeometrier styrker skæræggene. HFM-strategier (highfeed-fræsning) giver høj tilspænding per tand, små spåndybder og moderate skærehastigheder. Metoden giver høje spånfjernelsesgrader med færre skærekræfter og et lavere energiforbrug end ved andre strategier. De radielle kræfter på værktøjet er lavere, hvilket reducerer vibrationsrisikoen og muliggør brug af længere værktøjer. Strategien anvendes igen bedst på en stabil værktøjsmaskine med tilstrækkelige omdrejninger og effekt. Værktøjsvinklen bør vælges, så skærekraften ledes aksialt ind i maskinens spindel. I HPM (bearbejdning med høj performance) maksimeres aksiale og radiale spåndybder først, hvorefter tilspændinger og skærehastigheder vælges med henblik på at minimere værktøjsslid. Metoden giver høje spånfjernelsesgrader ved de laveste omkostninger. HPM kræver specialdesignede skærvinkler, forstærkede skærægge og spånrum, som hurtigt fjerner spånerne. HPM er velegnet til at fjerne store volumener materiale og til sværtbearbejdelige materialer. Simple justeringer af skærehastigheden eller andre parametre vil lette styringen af spåntykkelsen og dermed 5/6

6 Powered by TCPDF ( de termiske belastninger ved enkle fræseopgaver. Det er dog svært at manipulere parametrene, så de passer de skiftende bearbejdningsforhold ved fræsning af komplekse former. Avanceret CAM-software, som hurtigt kan håndtere store datamængder, giver mulighed for avancerede fræsestrategier for maksimal produktivitet, herunder dynamisk fræsning og waveform. Af: Patrick de Vos, Corporate Technical Education Manager, Seco Tools Seco Tools, der har sit hovedkvarter i Fagersta, Sverige, har et verdensomspændende ry for at udvikle innovative løsninger til skærende bearbejdning og at arbejde tæt sammen med kunder for effektivt at kunne forstå og imødekomme deres behov. Vi har mere end medarbejdere ansat i 50 lande og giver alle i vores team indflydelse via trænings-, udviklings- og anerkendelsesprogrammer samt et åbent kommunikationsmiljø. Vores medarbejdere står for tre kerneværdier - en passion for kunder, familieånd og personligt engagement - som definerer vores virksomhed, og hvordan vi interagerer med hinanden samt med vores kunder, leverandører og andre partnere. Besøg os på for at få mere at vide. 6/6