Frezowanie matryc i form wielokrotnie polega na obróbce tzw. kieszeni, czyli usunięciu materiału z obszaru przedmiotu. Klasyczna obróbka wykorzystuje przebieg ścieżki narzędzia (frezu palcowego), który odpowiada konturowi kieszeni. Wzajemna odległość ścieżek poszczególnych przejść jest stała. Układ ścieżek odpowiadający konturowi kieszeni powtarzany jest dla każdej głębokości skrawania.

Fot: CAMDIVISION

Technologiczne uwarunkowania wymagają by obróbka była realizowana etapowo, najpierw obróbka zgrubna, następnie obróbka kształtująca i ostateczna wykańczająca. Technologiczne przygotowanie obróbki technolog określa strategię obróbki, geometrię narzędzia oraz parametry technologiczne (m.in. prędkość skrawania, posuw, szerokość i głębokość skrawania). W zależności od konstrukcji przedmiotu, wymaganych dokładności geometrycznych, w tym także chropowatości etap obróbki kształtującej może być jednocześnie obróbką wykańczającą.

Obróbki zgrubne realizowane są frezami palcowymi połową szerokości narzędzia i ze stałą głębokością skrawania, przy założeniu korzystnego kształtu przedmiotu obrabianego. Z reguły domyślne ustawienia programów i systemów CAM definiują każde robocze przejście narzędzia w obróbce zgrubnej z tą samą wartością posuwu (zadeklarowaną przez technologa). W takim wypadku nie jest brana pod uwagę korelacji z obciążeniem narzędzia w danym punkcie obróbki. Nie uwzględnia się aktualnej szerokości i głębokości skrawania.

Przebieg ścieżek narzędzia cechuje się nagłymi zmianami kierunku i zmiennością powierzchni styku narzędzia i materiału przedmiotu obrabianego. Konsekwencją są zmienne siły skrawania, zmieniające się obciążenie narzędzia i wrzeciona. Warunki takie sprzyjają wystąpieniu drgań samowzbudnych między narzędziem a przedmiotem obrabianym, powodują odkształcenia narzędzia i przyspieszają zużycie narzędzia. Konsekwencją tych niekorzystnych czynników jest pogorszenie dokładności geometrycznej obróbki, większa chropowatość powierzchni, zwiększenie liczby tzw. braków produkcyjnych. Katastroficzne stępienie narzędzia z reguły oznacza zniszczenie narzędzia i w zasadzie nieodwracalne uszkodzenie obrabianej powierzchni.

Fot: CAMDIVISION

Na rys.2. przedstawiono obróbkę powierzchni wklęsłej, płaszczyzny oraz wypukłej. Interakcję geometryczną między narzędziem a przedmiotem obrabianym opisuje się tzw. kątem opasania narzędzia przez materiał i oznacza symbolem θ. Na rys.2 wyróżniono ten kąt i jak widać, zmienia się on dla obróbki różnych powierzchni. Wartości kąta opasania przedstawione na rys.2 są przykładowe i służą wykazaniu różnicy przy założeniu iż grubość warstwy skrawanej jest taka sama we wszystkich przypadkach (rys.2). W przypadku obróbki powierzchni wklęsłych (naroży) kąt opasania wzrasta w odniesieniu do obróbki płaszczyzn. Obróbka powierzchni wypukłych to stan kiedy kąt opasania maleje. Brak stałej szerokości skrawania prowadzi do zmiennych sił skrawania, a więc i obciążeń narzędzia oraz tym samym napędu głównego. Wzrost szerokości skrawania przyczynia się do wydłużania wióra oraz zwiększenia jego grubości. Krytyczne w klasycznym przebiegu ścieżek narzędzia są nagłe zmiany kierunku przemieszczania się narzędzia.

W klasycznym wierszowaniu konturu kieszeni w obróbce zgrubnej w narożach szerokość skrawania przekracza 50% średnicy narzędzia. Skutkiem tego następuje skokowy wzrost obciążenia narzędzia. Z kolei ostatnie przejścia narzędzia w obróbce zgrubnej mające na celu pozostawienie finalnych naddatków dla obróbki wykańczającej realizowane jest z założeniem tego samego posuwu roboczego z niewielką szerokością skrawania (kilka procent średnicy frezu). W takim przypadku nie wykorzystuje się potencjału obróbki, co oznacza wydłużenie głównego czasu maszynowego. Współczesne uwarunkowania wymuszają optymalizowanie procesów obróbkowych, w tym między innymi poprzez minimalizowanie czasów obróbkowych. Nadrzędnym kryterium optymalizacji są koszty produkcji.

Przeciwdziałanie destabilizacji procesu skrawania (wystąpienie drgań), skrócenie głównego czasu maszynowego, polepszenie parametrów jakościowych (dokładność geometryczna, chropowatość powierzchni), wydłużenie okresu trwałości narzędzia wymaga innego niż klasyczne podejście do obróbki kieszeni. Istotnym polem obróbki są tzw. obróbki szybkościowe (ang. HSM, HSC, HFM, czy HPM), które z racji swojego charakteru wymagają obróbki stabilnej (m.in. możliwa jest obróbka materiałów twardych ≥ 60HRC).

W obróbce zgrubnej celem głównym jest usunięcie nawet 99% materiału stanowiącego naddatek. Obróbka wykańczająca skupia się przede wszystkim na aspektach jakościowych, stąd bardzo istotna jest stabilność obróbki. Jedno z rozwiązań polega na adaptacyjnej kontroli posuwu w celu uzyskania stałego tempa usuwania materiału. Ścieżka narzędzia jednak nie podlegała modyfikacji i w związku z tym układy sterowania CNC musiał zmagać się z reakcją na konieczność nagłych zmian parametrów w trakcie obróbki. Inna metoda polega na modyfikowaniu ścieżki narzędzia, co pozwala to na unikanie wzrostu obciążenia w krytycznych fragmentach (np. naroża). Zachowanie stałości szerokości skrawania niejako automatycznie wpływa na ścieżki narzędzia skutkuje minimalizowaniem wystąpienia nagłych zmian kierunku pracy narzędzia.

Fot: Prima Power

Twórcy VoluMill opracowali zaawansowany model matematyczny umożliwiający zastosowanie w obróbce zgrubnej optymalizacji z kryterium szerokości skrawania, która powinna mieć charakter stały. Inżynierowie w tym przypadku umożliwiają modyfikację ścieżki narzędzia na etapie jej generowania w programie NXCAM. Bazując na sztywności maszyny i mocowania, prędkości obrotowej wrzeciona, posuwie roboczym, szerokości skrawania oraz liczbie ostrzy frezu VoluMill wylicza grubość wiórów dla danej ścieżki narzędzia. VoluMill optymalizuje ścieżkę narzędzia z zachowaniem stałego kąta opasania (stałej szerokości skrawania) zapewniając maksymalne obecnie możliwe spełnienie tak sprecyzowanych warunków obróbki. Każda obróbka jest indywidualnie rozpatrywana i nie zawsze z tytułu konstrukcji możliwe jest spełnienie stałości szerokości skrawania. VoluMill modyfikując ścieżkę narzędzia wykorzystuje łuki koncentryczne, lecz analizując każde kolejne przejście narzędzia, każdy kolejny łuk nie jest zlokalizowany koncentrycznie względem poprzednich (rys.4).

Takie podejście do obróbki umożliwia zastosowanie dużych głębokości skrawania i skrócenia czasu obróbki o kilkadziesiąt procent względem tradycyjnych metod zwłaszcza w przypadku obróbki z pełnego materiału. Program jest wyposażony w kalkulator, który na podstawie danych wejściowych określa wartości szerokości, głębokość skrawania obrotów i posuwu dla danego narzędzia i materiału obrabianego.

(CAMDIVISION)