I componenti con cavità profonde e strette sono componenti con caratteristiche strutturali di grandi profondità, aperture strette o spazio interno limitato. Rappresentano attualmente uno dei problemi più comuni nella lavorazione e nella produzione.
Le caratteristiche tipiche di tali parti sono:
Le cavità molto più profonde che larghe, come quelle con un rapporto profondità/diametro superiore a 3:1, presentano delle difficoltà.
Queste cavità presentano spesso strutture interne di difficile accesso o con spazi di lavorazione limitati. La lavorazione di tali cavità richiede in genere utensili lunghi e sottili per tagliare in profondità.
Le caratteristiche includono: fori o scanalature profonde, aperture strette con lunghi spazi interni, strutture interne come rinforzi, canali di raffreddamento, guide, ecc.
A causa della sua struttura a cavità profonda, per la lavorazione è necessario scegliere un utensile con un rapporto d'aspetto maggiore. Questo spesso causa problemi come vibrazioni e scheggiature durante la lavorazione.
Inoltre, l'effetto di raffreddamento è scarso e si riscontrano difficoltà nella rimozione dei trucioli.
Questi fattori contribuiscono alla scarsa stabilità della lavorazione, alla bassa efficienza di taglio e alla breve durata dell'utensile.
Di seguito sono riportate le principali cause delle difficoltà di lavorazione.
Scarsa rigidità dell'utensile, facile da vibrare
La lavorazione di cavità profonde richiede l'utilizzo di utensili lunghi e sottili. Questi utensili presentano una sporgenza elevata, che comporta una rigidità insufficiente.
Di conseguenza, è più probabile che si verifichino vibrazioni e vibrazioni, con conseguente scarsa rugosità superficiale e precisione dimensionale instabile.
Difficoltà nella rimozione dei trucioli
Lo spazio ristretto della cavità limita il percorso di scarico dei trucioli. Questo è particolarmente problematico quando si lavora sul fondo di una cavità profonda, dove i trucioli si accumulano facilmente.
I trucioli accumulati aumentano il carico sull'utensile e compromettono la stabilità della lavorazione. Possono anche graffiare la superficie lavorata.
Difficoltà di raffreddamento e concentrazione del calore
Quando l'utensile penetra in profondità in una cavità stretta, il refrigerante non riesce a raggiungere adeguatamente la zona di taglio.
Di conseguenza, il calore non viene rimosso efficacemente. Questo può facilmente causare deformazioni termiche e compromettere la precisione del pezzo, oltre a causare una maggiore usura degli utensili.
Visione di lavorazione scarsa, non facile da monitorare
La struttura profonda e stretta rende difficile per l'operatore o per la macchina utensile visualizzare lo stato di lavorazione.
Questa limitazione aumenta il rischio di errori e ostacola un monitoraggio efficace della qualità della lavorazione.
Programmazione e progettazione del percorso difficili
Per evitare interferenze e collisioni, i percorsi utensile e le strategie di lavorazione devono essere progettati con cura.
Questa progettazione accurata rende la programmazione complessa, soprattutto per la lavorazione simultanea a 5 assi.
Progettazione complessa degli apparecchi
Il pezzo in lavorazione ha una struttura particolare ed è soggetto a deformazioni durante la lavorazione.
Per questo motivo, è necessario progettare dispositivi personalizzati che offrano un supporto efficace e un posizionamento preciso.
Questa esigenza aumenta sia i tempi di preparazione sia i costi complessivi.
Problemi nella struttura e nella lavorazione delle parti
La struttura e le dimensioni delle parti di una cavità profonda e stretta sono illustrate nella Figura 1.
Materiale dei componenti per l'acciaio 35, forgiati, dimensioni esterne di 100 mm × 100 mm × 220 mm, angolo R8 mm, necessità di lavorazione di 49 mm × 80 mm, 200 mm di profondità attraverso la scanalatura e la parete laterale dei due lati della scanalatura.
Durante il processo di lavorazione è necessario selezionare un numero di utensili con una lunghezza pari o superiore a 220 mm, rispettivamente per la sgrossatura e la finitura.
A causa del lungo sbalzo dell'utensile, le vibrazioni durante la lavorazione sono elevate, l'utensile è soggetto a scheggiature e la profondità di taglio e la velocità di avanzamento sono limitate.
Con l'aumentare della profondità di fresatura, l'efficacia del raffreddamento e dell'asportazione dei trucioli sulla punta dell'utensile diminuisce gradualmente.
Di conseguenza, le temperature di taglio aumentano drasticamente, provocando l'usura degli utensili, l'indurimento della superficie e altri fenomeni avversi.
Questi problemi causano una bassa efficienza di taglio, una riduzione della durata dell'utensile e una scarsa qualità della lavorazione superficiale. Inoltre, le grandi dimensioni dei lotti di questo prodotto amplificano queste sfide.
Pertanto, trovare soluzioni per garantire la qualità della lavorazione, migliorare l'efficienza e ridurre i costi è diventata una priorità urgente.
Ottimizzazione del processo di lavorazione
La parete laterale del pezzo presenta due scanalature quadrate: una misura 30 mm × 75 mm e l'altra 30 mm × 55 mm.
Sul fondo di queste scanalature si trova un foro circolare di φ46 mm. Attraverso la profonda cavità, si trova una scanalatura quadrata di 40 mm × 80 mm. Prima del rinvenimento, vengono preforati fori passanti di φ40 mm.
Dopo aver analizzato le caratteristiche strutturali del pezzo, è stata stabilita una sequenza di lavorazione prioritaria.
Per prima cosa, fresare le due scanalature quadrate nella parete laterale. Quindi, preforare il foro da Ø46 mm fino a Ø45 mm, mantenendo la sovrametallo di finitura.
Questo approccio garantisce che, quando l'utensile raggiunge la profondità delle caratteristiche della scanalatura quadrata e del foro rotondo, funzioni come un utensile a "linea vuota".
Utilizzando una strategia a linea vuota, il volume di taglio effettivo viene ridotto.
Questa riduzione non solo prolunga la durata dell'utensile, ma aumenta anche la velocità di taglio.
Inoltre, la lavorazione preliminare di una scanalatura per il foro di una parete laterale facilita l'evacuazione dei trucioli, impedendo loro di accumularsi e causare problemi come la scheggiatura dell'utensile e l'indurimento della superficie del pezzo.
Selezione del metodo di fresatura
La cavità interna del pezzo è profonda 200 mm e richiede la rimozione di un grande volume di materiale duro.
Per garantire una lavorazione efficiente in queste condizioni, è particolarmente importante selezionare il metodo di fresatura appropriato.
Dopo l'analisi, si possono escludere due soluzioni di lavorazione. Il pezzo è un particolare temprato con elevata durezza e una cavità profonda.
Pertanto la fresatura a pendolo e la fresatura dinamica non sono adatte.
Il metodo di fresatura a inserimento (vedere Figura 2) offre vantaggi distintivi per la lavorazione di cavità profonde.
È uno dei metodi più efficaci per ottenere un'elevata velocità di asportazione del materiale nella lavorazione dei metalli.
Il principio prevede la sostituzione del tradizionale avanzamento orizzontale con l'inserimento assiale, convertendo le forze di taglio radiali in forze assiali.
Di conseguenza, anche in caso di grande sporgenza dell'utensile, il portautensile mantiene un'elevata rigidità, riduce le vibrazioni durante la lavorazione e migliora la stabilità di taglio.
Durante i test di fresatura con inserti è stato riscontrato che una larghezza di taglio maggiore comporta un'elevata efficienza di asportazione del materiale.
Tuttavia, ciò genera anche notevoli vibrazioni di lavorazione, rendendo l'utensile soggetto a scheggiature.
Se la larghezza di taglio viene ridotta, l'efficienza della lavorazione diminuisce e l'usura dell'utensile è più rapida.
Se si utilizza una fresa in lega ordinaria per la lavorazione di fresatura a inserti, la durata utile dell'inserto è bassa, l'effetto di lavorazione è scarso e quindi è necessario utilizzare una lama per fresa a inserti speciale.
A causa dell'elevato volume di taglio di questo pezzo, questo metodo di taglio viene escluso quando le condizioni di preparazione sono limitate.
Tuttavia, una lavorazione efficiente di componenti con cavità profonde può essere ottenuta utilizzando il metodo di fresatura a inserti nelle giuste condizioni. Queste condizioni includono:
Una struttura rigida e ben progettata, realizzata con un materiale adatto.
Preparazione adeguata prima della lavorazione.
Una fresa a inserti speciale con elevata durata dell'utensile.
In condizioni di lavorazione generali e senza una fresa a inserti specializzata, le caratteristiche strutturali della cavità devono guidare la scelta del metodo.
Considerate queste caratteristiche, per la lavorazione è più indicato utilizzare il metodo convenzionale di macinazione a strati.
Prima della tempra, il pezzo in lavorazione deve essere preforato con fori da φ40 mm, come nel caso di una fresa per la lavorazione del punto di flessione.
Secondo l'esperienza di taglio, i pezzi in acciaio temprato traggono vantaggio da un programma di lavorazione specializzato per cavità profonde.
Questo programma utilizza una profondità di taglio ridotta, un'elevata velocità del mandrino e un'elevata velocità di avanzamento. Garantisce un'elevata stabilità di processo e un'eccellente efficienza di lavorazione.
Pretrattamento degli angoli
Grazie alla cavità profonda e stretta nell'angolo interno, la superficie di contatto tra l'utensile e il pezzo in lavorazione aumenta improvvisamente.
Ciò causa un forte aumento della forza di taglio e rende l'utensile soggetto a rotture o collassi. Pertanto, l'angolo interno della cavità deve essere pretrattato.
Per il trattamento di preforatura, utilizzare una punta lunga il cui diametro sia leggermente più grande del raggio dell'angolo.
Lasciare un piccolo margine durante la foratura per ridurre la forza di taglio in corrispondenza degli angoli. Questo approccio aiuta anche a ridurre al minimo le vibrazioni di taglio.
Selezione degli strumenti
(1) Selezione del materiale dell'utensile
In base alle caratteristiche della lavorazione di fresatura di cavità profonde, l'utensile deve avere un'eccellente resistenza all'usura.
È inoltre necessaria un'eccellente resistenza al calore. Allo stesso tempo, l'utensile deve possedere sufficiente resistenza alla flessione e tenacità per resistere alle condizioni più difficili.
Tra i materiali per utensili da taglio in metallo duro comunemente utilizzati, il tipo YG offre una resistenza alla flessione e una tenacità agli urti superiori.
Ciò lo rende particolarmente adatto al taglio di metalli fragili.
Il tipo YT di carburo cementato presenta una maggiore resistenza alla corrosione, all'usura e al calore rispetto al tipo YG.
Tuttavia, la resistenza alla flessione del tipo YT è inferiore, in particolare la sua tenacità all'impatto. Di conseguenza, il tipo YT è più soggetto a scheggiature.
Il metallo duro di tipo YW offre elevata tenacità, elevata durezza e alta resistenza all'usura.
Combina le caratteristiche prestazionali dei tipi di metallo duro YG e YT. Di conseguenza, il metallo duro tipo YW offre eccellenti prestazioni complessive.
La scelta del carburo cementato di tipo YW può migliorare in modo efficace l'efficienza e la qualità della lavorazione.
(2) Selezione della struttura dello strumento
Nella fresatura di cavità profonde, è necessario considerare diversi fattori, tra cui il numero di denti dell'utensile e la lunghezza della profondità di sospensione.
Inoltre, occorre tenere conto della rigidità dell'utensile, dello spazio per i trucioli e delle vibrazioni.
È inoltre importante tenere conto della potenziale usura degli utensili e dei problemi correlati che potrebbero presentarsi durante il processo di lavorazione.
In base a questi fattori, per la sgrossatura si dovrebbe utilizzare una fresa a candela ad alta velocità (vedere Figura 3) per garantire resistenza ed efficienza di taglio;
La fresa a candela ad angolo retto intercambiabile (vedere Figura 4) viene utilizzata per la fresatura di finitura della cavità e la pulizia dell'angolo.
Ottimizzazione dei metodi di lavorazione
Nella lavorazione di componenti con cavità profonde, la rigidità dell'utensile gioca un ruolo cruciale. È direttamente proporzionale alla quantità di taglio.
Aumentando la rigidità dell'utensile è possibile migliorare significativamente sia la precisione che l'efficienza della lavorazione.
(1) La fresatura grezza è divisa in due fasi, la prima selezione di una fresa convenzionale a grande avanzamento da φ32 mm, sporgenza dell'utensile 115 mm, lavorazione fino a una profondità di 110 mm;
Quindi utilizzare le stesse specifiche di diametro per aumentare la fresa a candela con avanzamento grande, sporgenza 205 mm, lavorazione a 110 ~ 200 mm, vibrazioni e usura notevolmente migliorate.
(2) Nel processo di lavorazione di cavità profonde, la sgrossatura viene eseguita in due fasi.
Inizialmente, viene utilizzata una fresa frontale convenzionale ad alto avanzamento. Successivamente, viene applicata una fresa frontale ad avanzamento prolungato per continuare il processo di sgrossatura.
Dopo la sgrossatura, si utilizza una fresa frontale ad angolo retto intercambiabile per la finitura. Questo utensile viene utilizzato anche per pulire gli angoli arrotondati della cavità.
Considerando potenziali problemi quali errori di installazione, fabbricazione ed elaborazione delle due frese utilizzate nella fresatura sgrossatura, potrebbero verificarsi interferenze.
Nello specifico, questi errori possono causare interferenze tra il gambo della fresa ad avanzamento elevato e la parete della scanalatura lavorata nell'intervallo 0-110 mm.
Per evitare ciò, la dimensione di lavorazione rispetto alla prima fresa viene volutamente ridotta di 0.1–0.2 mm.
Questa riduzione previene possibili interferenze. Successivamente, la finitura a strati viene eseguita utilizzando una fresa frontale angolare intercambiabile.
3) Ottimizzazione del percorso utensile di lavorazione.
L'uso di fori preforati come punti di ingresso nel percorso dell'utensile aiuta a guidare l'utensile senza intoppi nel materiale.
Utilizzando il metodo di entrata e uscita arcotangente, l'utensile può entrare e uscire dal pezzo in modo fluido e controllato.
In questo modo si evita che la forza di taglio cambi improvvisamente.
Durante il processo di taglio viene applicato il principio "spessore-sottile".
Ciò significa che il truciolo è più spesso quando l'utensile entra nel pezzo e più sottile quando ne esce. Questo metodo, noto come fresatura liscia, riduce efficacemente le vibrazioni dell'utensile.
Di conseguenza, contribuisce a migliorare la durata dell'utensile e a migliorare la qualità superficiale delle pareti delle scanalature.
Il percorso utensile di lavorazione ottimizzato è illustrato nella Figura 5.
Ottimizzazione dei parametri di taglio
La velocità di taglio, la profondità di taglio e la velocità di avanzamento sono i principali fattori che influiscono sull'efficienza del taglio.
Secondo l'esperienza di lavorazione, velocità di taglio ha il maggiore impatto sulla durata dell'utensile.
Se la velocità di taglio è troppo bassa, ciò influisce sull'efficienza della lavorazione;
Una velocità di taglio eccessiva influisce sulla durata dell'utensile. La velocità di avanzamento influisce sulla durata dell'utensile in seconda battuta, mentre la profondità di taglio influisce sulla durata dell'utensile in seconda battuta.
In base all'esperienza di elaborazione, i parametri di debug possono essere grossolanamente classificati in due tipi.
Il primo tipo prevede una grande profondità di taglio combinata con una piccola velocità di avanzamento.
Il secondo tipo utilizza una piccola profondità di taglio insieme a una grande velocità di avanzamento.
In base all'intervallo di parametri di taglio forniti dal produttore dell'utensile per il debug del taglio.
Fresatura in metallo duro YW 45 di parti in acciaio temprato, velocità di taglio 150-300 m/min, avanzamento 0.15-0.3 mm/r, profondità di taglio 0.3-1.2 mm.
Poiché la velocità di taglio è quella che ha il maggiore impatto sulla durata dell'utensile, è stata microregolata per ottimizzare la profondità di taglio e la velocità di avanzamento.
I risultati del debug dei parametri di taglio dell'utensile ad avanzamento grande sono riportati nella Tabella 1.
Secondo i risultati della Tabella 1, per questo materiale dell'utensile e materiale della parte, il metodo di taglio "piccola profondità di taglio, grande velocità di avanzamento" garantisce una maggiore efficienza di lavorazione e una maggiore durata dell'utensile.
I risultati del taglio di prova sono:
Elevata velocità di taglio di 181 m/min, velocità di avanzamento di 2500 mm/min, profondità di taglio di 0.8 mm; in questo momento la vibrazione di taglio è notevolmente ridotta e l'usura tende a essere normale.
Quando si utilizza un utensile con avanzamento sempre più grande, è necessario ridurre la velocità di avanzamento all'80% di quella dell'utensile normale.
Tecnologia di raffreddamento
Un altro punto fondamentale per migliorare l'efficienza nel taglio dei metalli è il raffreddamento.
Il calore di taglio influisce sulla formazione e sullo scarico dei trucioli, come nel raffreddamento tradizionale, l'effetto di dissipazione del calore è scarso, intensifica l'usura dell'utensile e ne riduce la durata.
La tecnologia di taglio con raffreddamento ad alta pressione prevede l'aumento della pressione del fluido da taglio a un livello specifico.
Il fluido viene quindi spruzzato con precisione sulla zona di raffreddamento desiderata per ottenere un raffreddamento rapido.
Una caratteristica fondamentale di questo metodo è che il fluido da taglio ad alta pressione rimuove istantaneamente i trucioli dalla zona di taglio.
Ciò si traduce in una lavorazione più fluida dei pezzi e in un raffreddamento più rapido, contribuendo a sua volta a prolungare la durata dell'utensile.
Rispetto al metodo di raffreddamento tradizionale, può aumentare leggermente la velocità di avanzamento dell'utensile e la profondità di taglio, migliorando così l'efficienza della lavorazione.
In questo processo di taglio, la combinazione di raffreddamento interno ad alta pressione e raffreddamento esterno rappresenta il miglior effetto di raffreddamento.
Per questa lavorazione è stato selezionato un centro di lavorazione senza raffreddamento interno e si è adottata la combinazione di fluido da taglio e raffreddamento ad aria ad alta pressione.
Durante la lavorazione, il tubo del fluido da taglio ad alta portata è allineato con la punta dell'utensile per ridurre la temperatura e svolgere la funzione di raffreddamento e lubrificazione.
Il tubo raffreddato ad aria è rivolto verso la parte anteriore dell'utensile, in modo da espellere rapidamente i trucioli e garantire una lavorazione fluida dell'utensile.
Risultati della ricerca
Confrontando i dati prima e dopo il test, si è scoperto che i miglioramenti del processo hanno un impatto evidente.
Nello specifico, la regolazione dei parametri di lavorazione e l'ottimizzazione del processo possono migliorare in modo efficace l'efficienza della lavorazione di cavità profonde.
Nel test sono state selezionate diverse velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio, mantenendo invariati tutti gli altri parametri.
I risultati hanno dimostrato che la massima efficienza di lavorazione è stata raggiunta in condizioni specifiche.
Ciò si è verificato utilizzando un utensile ad alto avanzamento per la sgrossatura, con una velocità di taglio di 181 m/min, una velocità di avanzamento di 2500 mm/min e una profondità di taglio di 0.8 mm.
Il processo viene ottimizzato attraverso una disposizione ragionevole dei processi di lavoro, la selezione di utensili ad alta efficienza e l'adozione di tecnologie di raffreddamento.
Confrontando i dati prima e dopo il test, si è scoperto che il metodo di lavorazione ottimizzato offre miglioramenti significativi.
Riduce i tempi di lavorazione del 45%, aumenta la durata degli utensili del 30% e riduce i tempi di fermo del 15%.
Nel complesso, si ottiene lo stesso effetto di lavorazione ottenibile utilizzando utensili e attrezzature professionali per parti con cavità profonde (vedere Figura 6).
Figura 6 Effetto della lavorazione
Conclusione
In questo documento si prende come esempio una cavità profonda e stretta per sviluppare un nuovo metodo di lavorazione tramite fresatura, che risolve i problemi di vibrazioni, difficoltà di asportazione dei trucioli e scheggiature nel processo di lavorazione.
I risultati dello studio dimostrano che non esiste un metodo di lavorazione dei metalli universalmente valido.
Il metodo più adatto dipende invece dalla situazione specifica del processo di lavorazione e dai requisiti del momento.
Ottimizzando il processo, selezionando le soluzioni appropriate utensili e lavorazioni meccaniche parametri e applicando un raffreddamento efficace e altre misure, è possibile migliorare significativamente l'efficienza.
Anche gli utensili comuni possono essere utilizzati efficacemente per migliorare le prestazioni della lavorazione CNC di cavità profonde.
Allo stesso tempo, nella produzione effettiva, è necessario considerare anche l'impatto di altri fattori, come il serraggio del pezzo e la rigidità dell'attrezzatura.
FAQ:
I componenti con cavità profonde e strette sono componenti con profondità elevate, aperture ristrette o spazio interno limitato, spesso dotati di strutture interne come scanalature, rinforzi o canali di raffreddamento. Queste geometrie rendono la lavorazione molto impegnativa.
Le sfide derivano da scarsa rigidità dell'utensile, vibrazioni, difficoltà di rimozione dei trucioli, raffreddamento inadeguato, visione di lavorazione limitata, programmazione complessa e requisiti di fissaggio specifici. Questi fattori riducono l'efficienza di taglio e la durata dell'utensile.
Sono necessari utensili lunghi e sottili con elevati rapporti d'aspetto, ma sono soggetti a vibrazioni e scheggiature. La scelta di utensili con elevata rigidità, resistenza all'usura e resistenza al calore, come il metallo duro di tipo YW, può migliorare significativamente la stabilità e la qualità della lavorazione.
La preforatura, la lavorazione preliminare delle pareti laterali e l'utilizzo di tecniche di fresatura fluida aiutano a guidare i trucioli fuori dalla cavità. Ciò previene l'accumulo, riduce il carico sull'utensile, evita graffi superficiali e migliora la stabilità del processo.
Il raffreddamento è fondamentale a causa della concentrazione del calore in profondità sulle punte degli utensili. Il raffreddamento interno ad alta pressione, combinato con il raffreddamento esterno ad aria o a fluido, rimuove efficacemente calore e trucioli, prolungando la durata dell'utensile e consentendo avanzamenti e velocità di taglio più elevate.
L'ottimizzazione dei percorsi utensile, dei parametri di taglio e delle sequenze di lavorazione riduce le vibrazioni, previene le interferenze, aumenta la durata dell'utensile e migliora la qualità superficiale. Dare priorità alle strategie "a linea vuota" e ai metodi di sgrossatura a strati è essenziale per l'efficienza.
In condizioni standard, è preferibile la fresatura a strati convenzionale. La fresatura a inserti può essere efficace con frese specializzate ad alta rigidità e una preparazione adeguata. L'inserimento assiale riduce le forze radiali, migliorando la stabilità in caso di grandi volumi di materiale asportato.
La preforatura di angoli leggermente più grandi del raggio riduce i picchi di forza di taglio, previene la rottura dell'utensile, riduce al minimo le vibrazioni e garantisce un innesto più fluido delle frese in cavità strette o profonde.
La velocità di taglio ha il maggiore impatto sulla durata dell'utensile, seguita dalla velocità di avanzamento e dalla profondità di taglio. Parametri ottimizzati, come una ridotta profondità di taglio con un'elevata velocità di avanzamento, migliorano la stabilità del processo, l'efficienza e la longevità dell'utensile.
L'ottimizzazione dei processi può ridurre i tempi di lavorazione fino al 45%, prolungare la durata degli utensili del 30%, ridurre i tempi di fermo macchina del 15% e ottenere una qualità superficiale e una precisione dimensionale costanti anche senza utensili professionali specializzati.
