Denne artikel analyserer fræserpositioneringens og
værktøjsbanernes påvirkning på de mekaniske belastninger ved
fræsning. Mens drejning skaber stabile mekaniske belastninger med
et skær, har fræsning værktøjer med flere skær og varierende
belastninger, der hurtigt ændrer sig. F.eks. kræver det at opnå en
vellykket fræseoperation en lang række valg og overvejelser
specifikt med henblik på dette.
Leverandører af CNC-fræsemaskiner
Varierende belastninger
Det første og mest basale skridt i forbindelse med planlægningen af
en fræseoperation er at vælge en fræser og skær der er designet til
at producere de ønskede emner. Værktøjsleverandører tilbyder
planfræsere, pindfræsere, skivefræsere og andre fræsere med
skrubbearbejdnings- eller sletbearbejdningsgeometrier, der er
udviklet til at frembringe næsten et hvilket som helst emne.
Uanset hvilken fræser, der anvendes, vil den køre med afbrudt
spån. Belastningerne på skærene går fra nul, inden de rammer
materialet, til spidsværdier under fræsningen, og tilbage til nul
ved udgangen. Målet er at moderere de varierende belastninger ved
fræseprocessen og derved maksimere standtiden, produktiviteten og
processikkerheden. Fræserpositionering, indgang- og
udgangsstrategier samt styring af spåntykkelsen er væsentlige
elementer, der fører til opnåelse af målet.
Indgang i materialet
De belastninger der påvirker skærene ved fræsning, bestemmes i stor
udstrækningaf den måde de går ind i materialet på. Ved modfræsning
roterer fræseren imod tilspændingsretningen. Ved medfræsning
roterer i samme retning som tilspændingen.
Ved modfræsning sker indgangen i materialet ved 0 i spåntykkelse
og udgangen ved max spåntykkelse. Omvendt ved medfræsning hvor
indgangen sker ved max spåntykkelse og udgangen ved 0 spåntykkelse.
I begge tilfælde frembringes en halvmåneformet spån.
I de fleste tilfælde anbefaler værktøjsleverandører medfræsning,
fordi det minimerer den gnidning og friktion der opstår som følge
af den bløde indgang ved modfræsning. Ved medfræsning med indgang
ved max spåntykkelse undgås denne friktion og varmen ledes lettere
over i den tykkere spån. Ved medfræsning kastes spånerne bagud,
hvilket minimerer at de kommer ind foran skærene og bliver skåret
igen.
I enkelte tilfælde foretrækkes modfræsning dog. Planfræsning med
medfræsning frembringer en tilbagegående kraft, der kan forårsage
en tilbageslagsbevægelse på ældre, manuelle maskiner. Modfræsning,
hvor fræseren trækker fremad i emnet, kan være et bedre valg ved
mindre stabile maskiner, især ved større spåndybder. Modfræsning
kan også være effektiv ved fræsning i materialer med hårde
overflader eller tynde vægge, og den blødere indgang i materialet
kan beskytte skæræggen mod slagskader. På den anden side kan den
uforholdsmæssigt store friktion og varme, der kan opstå ved
modfræsningens bløde indgangskarakteristik, have skadelige
virkninger på et værktøj. Den varierende kraft på skæræggen kan
forårsage skader af æggen og øge trækspændingerne. Det kan gå ud
over overfladefinishen, fordi spånerne kommer ind foran fræseren og
bliver skåret en gang til.
Indgang med fuld spåntykkelse ved medløbsfræsning udsætter
værktøjet for svære mekaniske belastninger, men dette udgør ikke et
større problem for de fleste værktøjer. Moderne værktøjsmaterialer,
herunder hårdmetaller, keramik og high-speed stål, er
pulverbaserede produkter, der har god trykstyrke.
Når man taler om fræserpositionering og indgangsstrategier, bør
maskinoperatører være opmærksomme på, at positioneringen af
fræseren på den ene eller den anden side af arbejdsemnets
centerlinje altid er at foretrække. Centerpositioneringen blander
mod- og medfræsningskræfterne og kan resultere i ustabil
maskinbearbejdning og vibrationer.
Skærets udgangsstrategier
Skærets udgang af materialet, er lige så vigtig som indgangen.
Forsøgsresultater viser et tydeligt forhold mellem positioneringen
af fræseren og dermed udgangen og skæræggens standtid. Hvis
udgangen sker for pludseligt eller uensartet, kommer der skader
eller brud på skæræggene. På den anden side kan opmærksomheden
omkring værktøjets udgang medføre en stigning på op til 10 gange
standtiden. Den kritiske værdi er udgangsvinklen, der defineres som
vinklen mellem fræseværktøjets radiuslinje og skærets udgangspunkt.
Udgangsvinklen kan være negativ (over fræserens radiuslinje) eller
positiv (under radiuslinjen). Skærskader er mere sandsynlige med
udgangsvinkler mellem ca. minus 30 grader og plus 30 grader (se
figur 3/3 billeder). Arbejdsområdets bredde, er i grove træk det
halve af fræserens diameter.
En anden måde at forbedre det afbrudte spånforløbs indvirkning
på skærene er at sikre at der altid er mindst et eller flere skær i
indgreb. Herved opnås en roligere gang og vibrationer og
slagpåvirkning undgås. Dette sikres ved at bruge en mindre fræser i
forhold til spånbredden Ae og /eller en fræser med flere skær.
Spåntykkelse
Spåntykkelsen, der frembringes ved fræsning, har en betydelig
indvirkning på skærekræfterne, temperaturen, standtiden,
spåndannelsen og spånafgangen. Hvis spånerne er for tykke, dannes
der store belastninger, som kan skade skæræggene. Når spånerne er
for tynde, sker belastningen på en mindre del af skæræggen, og øget
friktion genererer varme, som resulterer i hurtigere slitage.
Spåntykkelsen måles vinkelret på den effektive skæræg. Som
tidligere nævnt, vil de spåner, der dannes ved fræsning, konstant
ændre sig i tykkelse, efterhånden som skæræggen passerer hen over
emnet. Af hensyn til programmeringen gør værktøjsleverandører brug
af konceptet “middelspåntykkelse”. Den gennemsnitlige tykkelse er
det numeriske gennemsnit af spånens tykkeste og tyndeste mål.
Værktøjsleverandører anbefaler data for den middelspåntykkelse til
bestemte værktøjsgeometrier, der, når de anvendes, frembringer
maksimal standtid og produktivitet.
Maskinoperatører bruger disse data til at fastlægge
tilspændinger, der vil overholde den anbefalede,
middelspåntykkelse. Fræserens radiale indgreb, fræserens diameter,
fræserpositioneringen og værktøjsvinkelen er faktorer, der
bestemmer den korrekte tilspænding. Det radiale indgreb defineres
som forholdet mellem den radiale spånbredde (ae) og fræserens
diameter (Dc). Jo større fræserens radiale indgreb er, jo lavere
vil den tilspændingshastighed, der kræves for at frembringe den
ønskede spåntykkelse, være. På samme måde skal tilspændingen med
mindre indgrebsbredde være højere for at opnå samme spåntykkelse.
værktøjsvinklen har også betydning for tilspændingskravet. Maks.
spåntykkelse opstår med en værktøjsvinkel på 90 grader, så mindre
vinkler kræver en højere tilspænding for at opnå samme
spåntykkelse.
Skarpe skær frembringer mindre skærekræfter, men er også mere
skrøbelige end afrundede og fasede skæræg. Den mekaniske belastning
på skæræggen skal begrænses for at undgå skader og brud, så mindre
middelspåntykkelser anbefales, når der anvendes skarpe skær. I det
tilfælde bestemmer den anvendte skæræggeometri den korrekte,
middelspåntykkelse og omvendt.
Maskinoperatører kan anvende disse principper og metoder ved
grundlæggende fræseapplikationer til at styre de afbrudte
belastninger på fræseværktøjerne. Men da emnerne bliver mere
komplekse er en manuel styring af tilspændingerne for at overholde
de anbefalede, middelspåntykkelser stort set umulig. I disse og
mere komplekse situationer, herunder meget avnaceret 5-akset
fræsning, har producenter af CAM-software og avanceret CNC-udstyr
udviklet teknikker såsom trochodial fræsning og hjørnepeeling samt
programmer til konstant værktøjsindgreb i værktøjsbaner, som f.eks.
Dynamic Fræsning og Waveform. Disse software- og
programmeringsteknologier repræsenterer hightechudviklingen inden
for de grundlæggende styringskoncepter for værktøjsindgang, -udgang
og spåntykkelse, som kan kontrollerer den afbrudte fræseproces’
indvirkning på værktøjet.
Spåntykkelse
Producenter har anvendt fræsemaskiner og -værktøjer i mere end et
århundrede og producerer utallige mener i store mængder og
førsteklasses kvalitet. I den periode er den grundlæggende
fræseproces forblevet den samme, nemlig brugen af en roterende
fræser i et emne for at bearbejde en overflade. Processens afbrudte
spåntagning er også forblevet den samme.
Fræsemaskiner og fræseværktøjer har gennemgået en ufattelig
udvikling, men i mange tilfælde udnytter deres brugere ikke det
fulde potentiale i dette tekniske fremskridt. Ved at anvende disse
nye strategier inden for fræsning og bearbejdning til at optimere
processens afbrudte belastninger, bliver producenterne i stand til
at opnå den sjældent opnåelige, tredobbelte målsætning om maksimal
produktivitet, kvalitet og standtid
