Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование: угол контакта, утонение стружки, пересчёт подачи

Что объединяет HSM, трохоиду и Adaptive

При обычной выборке кармана фреза идёт эквидистантами с большим шагом, а в углах и на врезании работает почти полным диаметром. Нагрузка на зуб скачет: на прямой она одна, в углу и в пазу — заметно больше. Под худший участок приходится снижать режимы на всей траектории.

Высокоскоростные стратегии меняют подход. Инструмент снимает материал узкой полосой ae, но на большую глубину ap, а траектория строится так, чтобы угол контакта не рос в углах. Sandvik Coromant перечисляет следствия малого ae:

• радиальная сила мала — меньше требований к жёсткости, можно брать большую глубину;
• в резании один зуб — меньше склонность к вибрациям;
• короткий контакт — меньше нагрев кромки, можно поднять скорость резания;
• стружка тонкая, но подача на зуб высокая.

Изначально эти методы, по Sandvik, разрабатывали для черновой обработки закалённых сталей (ISO H) и жаропрочных сплавов (ISO S), но они работают и на других материалах — особенно там, где мешают вибрации.

Угол контакта и ширина резания

Угол контакта φ — угол дуги, на которой зуб находится в материале. Для фрезы, идущей вдоль стенки, он зависит только от отношения ae/D.

При ae = D/2 угол контакта 90°, при полном пазе — 180°. При ae = 10 % D угол всего около 37°: зуб короткое время в материале и остывает остальную часть оборота.

Утонение стружки и пересчёт подачи

Пока ae не меньше половины диаметра, наибольшая толщина стружки hex равна подаче на зуб fz (для фрезы с углом в плане 90°). Как только ae становится меньше D/2, стружка утоняется: дуга контакта обрывается раньше, чем зуб доходит до места, где срез равен fz. Этот порог называют и Sandvik Coromant, и Harvey Performance.

Опасность в том, что каталожную подачу дают как толщину стружки. По Sandvik, слишком тонкая стружка — самая частая причина плохой работы фрезы: кромка трёт, а не режет, изнашивается и может вызвать вибрации. Слишком толстая — перегружает кромку до поломки.

Это то же самое, что hex = fz · sin φ. Отсюда подача на зуб для нужной толщины стружки: fz = hex / sin φ. Формула бокового фрезерования в техническом справочнике Sandvik Coromant даёт тот же результат, а таблица поправок на их сайте с ним совпадает:

Пример пересчёта

Концевая фреза D = 12 мм, z = 4. Допустим, каталог для вашего материала даёт vc = 150 м/мин и толщину стружки 0,06 мм (значения для примера). Динамическая выборка с ae = 1,2 мм, то есть 10 % D.

1. Обороты: n = 1000 · 150 / (π · 12) ≈ 3979 об/мин.
2. Угол контакта: cos φ = 1 − 2 · 0,1 = 0,8, φ ≈ 36,9°, sin φ = 0,6.
3. Подача на зуб: fz = 0,06 / 0,6 = 0,10 мм.
4. Минутная подача: vf = 0,10 · 4 · 3979 ≈ 1592 мм/мин.

Без пересчёта vf была бы 0,06 · 4 · 3979 ≈ 955 мм/мин, а фактическая толщина стружки — всего 0,036 мм. Обороты и минутную подачу удобно проверить в калькуляторе режимов резания.

Трохоидальное фрезерование паза

Sandvik Coromant определяет трохоиду как круговое фрезерование с одновременным движением вперёд: фреза снимает материал повторяющимися «ломтиками» по непрерывной спиральной траектории. Паз шире фрезы, поэтому она не работает полным диаметром. Метод рекомендуют для пазов, где мешают вибрации, и для черновой выборки тесных карманов.

Три оговорки из той же рекомендации:

• Ширина резания на петле меняется и в самой глубокой точке больше запрограммированного шага w.
• Половину времени фреза идёт по воздуху. Паз шириной больше 2·D выгоднее выбирать проходами «вход по дуге — прямой рабочий ход — выход по дуге — быстрый возврат».
• Если подача задана по центру фрезы, подача по периферии на дуге отличается — её пересчитывают, чтобы толщина стружки осталась нужной.

Стратегии в CAM

Трохоиду можно написать вручную, но карманы произвольной формы на практике выбирают стратегиями CAM-систем. Названия у разработчиков свои:

Общее у всех — траектория плавная, без острых углов, ширина внедрения ограничена во всех точках. Задача технолога та же: взять из каталога толщину стружки для малого ae, задать допустимую ширину внедрения и проверить подачу пересчётом.

Требования к станку и системе ЧПУ

Траектория HSM — это тысячи коротких кадров. FANUC описывает проблему прямо: если стойка точно отрабатывает отрезки из CAM, на поверхности остаются грани, а постоянные разгоны и торможения ограничивают подачу. Решение — режимы, в которых система ЧПУ просматривает программу вперёд и сглаживает траекторию в пределах допуска:

• FANUC — сплайновая интерполяция в реальном времени, вместе с ней включается AI contour control — автоматическое управление скоростью;
• Siemens Sinumerik — цикл CYCLE832 (High Speed Settings): оператор выбирает черновую, получистовую или чистовую обработку и допуск. Siemens советует ставить допуск тот же, что в CAM, и указывает, что для коротких кадров нужны подачи выше 10 м/мин;
• Heidenhain — цикл 32 TOLERANCE.

Ещё два условия — жёсткий короткий патрон и минимальный вылет: при большой глубине ap работает вся длина кромки. О выборе фрезы и числе зубьев — в статье «Виды фрез и как выбрать», о том, как стратегия из CAM превращается в программу, — в статье «CAM и постпроцессор».