Przy ustawianiu obrabiarki łatwo skupić się na obrotach i posuwie, a zbyt późno pomyśleć o tym, ile materiału narzędzie ma rzeczywiście zebrać. Głębokość skrawania wpływa jednocześnie na wydajność, obciążenie ostrza, temperaturę, drgania i jakość powierzchni. Poniżej pokazuję, jak dobierać ją przy toczeniu i frezowaniu CNC, jak korzystać z katalogów narzędzi oraz po czym rozpoznać, że przyjęta wartość jest zbyt duża albo zbyt mała.
Dobór ap decyduje o wydajności i stabilności obróbki
- ap oznacza osiową głębokość warstwy usuwanego materiału.
- Przy toczeniu oblicza się ją ze wzoru ap = (D - d) / 2.
- Przy frezowaniu trzeba rozróżnić ap osiowe i ae promieniowe.
- Obróbka zgrubna zwykle wykorzystuje większe wartości, a wykańczająca mniejsze przejścia.
- Ostateczny dobór zależy od materiału, narzędzia, sztywności układu i zaleceń producenta.
Czym jest głębokość skrawania i co oznacza ap
To grubość warstwy materiału usuwanej przez ostrze podczas jednego przejścia. W dokumentacji technicznej najczęściej oznacza się ją symbolem ap, od angielskiego axial depth of cut. Im większa wartość, tym więcej materiału usuwamy za jednym razem, ale tym większe siły działają na narzędzie, przedmiot i wrzeciono.
Przy toczeniu parametr mierzy się promieniowo, czyli od powierzchni wyjściowej do nowej średnicy. Jeżeli wał ma średnicę 50 mm, a po przejściu ma mieć 46 mm, warstwa nie ma 4 mm, lecz 2 mm na stronę. To jeden z najczęstszych błędów początkujących operatorów.
Przy frezowaniu sytuacja jest bardziej złożona. ap określa zagłębienie freza w osi narzędzia, natomiast ae opisuje szerokość skrawania w kierunku promieniowym. Można więc pracować na dużym ap i małym ae, co jest typowe dla frezowania dynamicznego, albo na małym ap i dużym ae podczas klasycznego planowania.
| Proces | Parametr | Co opisuje |
|---|---|---|
| Toczenie | ap | Promieniową grubość warstwy zdejmowanej z materiału |
| Frezowanie | ap | Osiowe zagłębienie freza |
| Frezowanie | ae | Promieniową szerokość kontaktu freza z materiałem |
Jak dobrać wartość przy toczeniu CNC
Pierwszy krok to określenie naddatku, czyli różnicy między wymiarem półfabrykatu a wymiarem docelowym. Przy toczeniu średnicy używam prostego wzoru ap = (D - d) / 2, gdzie D oznacza średnicę przed obróbką, a d średnicę po przejściu.
Przykład jest łatwy do sprawdzenia. Dla wałka o średnicy 42 mm i wymiaru końcowego 36 mm całkowity naddatek wynosi 6 mm, ale głębokość jednego przejścia przy zdjęciu całości to 3 mm. W produkcji zwykle nie zdejmowałbym całych 3 mm jednym przejściem bez sprawdzenia mocy maszyny, wysięgu noża i rodzaju materiału.
Obróbka zgrubna
W zgrubnym toczeniu najważniejsze jest szybkie usunięcie naddatku przy zachowaniu stabilnego przekroju wióra. Dla sztywnego układu i odpowiedniej płytki spotyka się wartości rzędu 1-4 mm, a w cięższej obróbce także większe. Nie jest to jednak uniwersalna tabela, ponieważ długi wał, cienka ścianka albo stal nierdzewna mogą wymusić znaczne zmniejszenie ap.
Jeżeli trzeba usunąć 8 mm z promienia, rozsądniejszy może być podział na kilka przejść, na przykład 3 mm, 3 mm i 2 mm. Taki podział ogranicza przeciążenia i pozwala obserwować kolor wióra, dźwięk pracy oraz stan naroża płytki. Liczba przejść nie powinna być ustalana wyłącznie na podstawie czasu programu.
Obróbka wykańczająca
Przy wykańczaniu zwykle zostawia się niewielki naddatek, często 0,2-0,5 mm na promieniu, a następnie zbiera go jednym stabilnym przejściem. Zbyt mała wartość może być równie problematyczna jak zbyt duża. Narzędzie zamiast skrawać zaczyna trzeć, szczególnie gdy krawędź jest zużyta, a materiał ma skłonność do umocnienia.
Na jakość powierzchni wpływa również promień naroża płytki. Przy zbyt dużym ap i małym promieniu rośnie obciążenie ostrza, natomiast przy zbyt małym ap narzędzie może pracować poniżej zalecanego zakresu. Dlatego dane z katalogu płytki traktuję jako punkt wyjścia, a nie jako wartość, którą można bez sprawdzenia przepisać do programu.
Jak dobrać ap i ae przy frezowaniu
We frezowaniu dobór zależy przede wszystkim od średnicy freza, liczby ostrzy, materiału i strategii ścieżki. Producent może podać osobno maksymalne ap, zalecane ae oraz posuw na ostrze. Nie wolno zamieniać ap z ae, ponieważ opisują różne kierunki pracy narzędzia.
Klasyczne frezowanie z dużym kontaktem
Podczas planowania lub frezowania z dużym zaangażowaniem promieniowym ae może wynosić około 30-70% średnicy freza, zależnie od narzędzia i materiału. Osiowe zagłębienie bywa wtedy ograniczone, zwłaszcza gdy maszyna ma niewielką moc albo mocowanie jest mało sztywne.
Przykładowo dla freza o średnicy 20 mm można rozpocząć próbę od ae równego 8-10 mm i ap dobranego z katalogu, a potem skorygować posuw. Taki punkt startowy nie zastępuje danych producenta, ale pomaga zrozumieć zależność: im większa część średnicy pracuje jednocześnie, tym większe są siły skrawania.
Przeczytaj również: Wiertła HSS do metalu - wybierz mądrze i wierć efektywnie!
Frezowanie dynamiczne i HSM
W strategiach dynamicznych często stosuje się małe ae, na przykład 5-15% średnicy, oraz większe ap. Frez porusza się po ścieżce, która utrzymuje bardziej równomierne obciążenie ostrza. Dzięki temu można efektywnie usuwać materiał, mimo że narzędzie nie pracuje pełną szerokością.
Nie oznacza to, że duże ap zawsze jest lepsze. Przy frezie o średnicy 10 mm, długim wysięgu i głębokiej kieszeni ograniczeniem może być ugięcie narzędzia, a nie moc wrzeciona. W takim przypadku zmniejszenie ap albo skrócenie oprawki często daje większą poprawę niż samo obniżenie obrotów.
| Strategia | Typowe podejście | Najważniejsze ograniczenie |
|---|---|---|
| Planowanie | Większe ae, umiarkowane ap | Moc wrzeciona i siła skrawania |
| Frezowanie zgrubne | Duży naddatek usuwany w kilku przejściach | Sztywność mocowania i odprowadzanie wiórów |
| Frezowanie dynamiczne | Małe ae, większe ap, wyższy posuw | Jakość ścieżki CAM i możliwości sterowania CNC |
| Wykańczanie | Małe ap i ae, stabilny przejazd | Drgania, bicie narzędzia i zużycie ostrza |
Jak połączyć głębokość z obrotami i posuwem
Sama wartość ap nie mówi jeszcze, czy proces będzie bezpieczny. Najpierw dobiera się prędkość skrawania Vc na podstawie materiału i gatunku narzędzia, potem obroty, posuw, a dopiero w ramach tych warunków ustala głębokość przejścia.
Dla toczenia obroty można obliczyć ze wzoru n = 1000 × Vc / π × D, przy czym D jest średnicą obrabianą w milimetrach. We frezowaniu średnicę D przyjmuje się jako średnicę narzędzia. Posuw stołu wynika natomiast z posuwu na ostrze, liczby ostrzy i prędkości obrotowej, czyli Vf = fz × z × n.
Załóżmy, że frez ma średnicę 10 mm, trzy ostrza, a katalog podaje dla konkretnego aluminium Vc równe 200 m/min i fz równe 0,10 mm na ostrze. Otrzymujemy około 6360 obr./min oraz posuw około 1900 mm/min. Dopiero wtedy dobieramy ap i ae do konkretnej strategii, na przykład 6-8 mm ap i 0,5-1,5 mm ae przy obróbce dynamicznej, jeśli narzędzie i maszyna mają takie zalecenia.
Ten przykład pokazuje rzecz często pomijaną. Nie istnieje jeden uniwersalny wzór wyliczający bezpieczne ap. Wartość wynika z danych producenta, przekroju wióra, mocy, sztywności, długości wysięgu i charakteru wejścia narzędzia w materiał.
Po czym poznać, że parametr jest źle dobrany
Zbyt duża głębokość przejścia zwykle daje o sobie znać szybko. Typowe sygnały to głośne drgania, wyraźne ugięcie narzędzia, nieregularny wiór, przeciążenie wrzeciona oraz wykruszenie naroża płytki. W takim przypadku można zmniejszyć ap, ae lub posuw, ale najpierw trzeba ustalić, co faktycznie powoduje problem.
- Jeżeli pojawiają się drgania, sprawdź wysięg narzędzia, mocowanie i bicie.
- Jeżeli silnik jest przeciążony, zmniejsz przekrój wióra albo podziel przejście.
- Jeżeli ostrze się przegrzewa, skontroluj prędkość skrawania i chłodzenie.
- Jeżeli powierzchnia jest smużysta, sprawdź zużycie krawędzi i zbyt małe ap.
- Jeżeli wiór jest długi i niebezpieczny, skoryguj geometrię płytki lub posuw.
Z kolei zbyt mała wartość może powodować tarcie zamiast prawidłowego skrawania. Dotyczy to szczególnie obróbki stali nierdzewnych, gdzie powierzchnia szybko się umacnia. Cienka warstwa nie zawsze oznacza delikatną obróbkę. Jeśli ostrze nie ma warunków do wejścia w materiał, temperatura rośnie, a krawędź zużywa się szybciej.
Nie ignorowałbym także jakości mocowania. Sztywna oprawka, krótki wysięg i prawidłowo podparty detal potrafią pozwolić na zwiększenie ap bez zmiany narzędzia. Przy długim uchwycie lub cienkiej rurze najpierw poprawiłbym układ mechaniczny, zamiast bez końca obniżać parametry.
Najczęstsze błędy przy ustalaniu głębokości przejścia
Pierwszym błędem jest kopiowanie wartości z katalogu bez sprawdzenia, dla jakiego materiału, gatunku płytki i sposobu mocowania została podana. Dane producenta są zwykle wyznaczone dla warunków referencyjnych, a mała frezarka, zużyte wrzeciono lub długi detal mogą wymagać ostrożniejszego startu.
Drugim problemem jest mylenie naddatku całkowitego z wartością na stronę. Przy toczeniu średnicy trzeba dzielić różnicę wymiarów przez dwa. Przy frezowaniu trzeba zaś osobno zaplanować warstwę osiową i szerokość kontaktu. Te pomyłki potrafią kilkukrotnie zwiększyć obciążenie ostrza.
Trzeci błąd to zmniejszanie ap bez korekty posuwu. Jeżeli narzędzie zaczyna tylko trzeć, sama redukcja głębokości nie pomoże. Czasem lepszy efekt daje zachowanie minimalnej zalecanej warstwy i obniżenie prędkości skrawania, a czasem odwrotnie, szczególnie przy aluminium i narzędziach z ostrą geometrią.
Najbezpieczniejsza procedura wygląda praktycznie tak:
- Określ materiał i rodzaj operacji.
- Wybierz narzędzie oraz sprawdź jego katalogowe ap i ae.
- Oceń sztywność maszyny, mocowania i wysięg.
- Ustal Vc, obroty i posuw zgodnie z zaleceniami.
- Rozpocznij od wartości pośredniej, jeśli warunki odbiegają od katalogowych.
- Obserwuj wiór, dźwięk, obciążenie oraz stan ostrza i dopiero wtedy optymalizuj.
Dobry parametr zaczyna się od warunków procesu
Najbardziej uniwersalna zasada brzmi prosto: zgrubnie usuwaj materiał możliwie wydajnie, ale w granicach sztywności układu, a wykańczaj mniejszym i stabilnym przejściem. Przy toczeniu pamiętaj o wartości promieniowej, a przy frezowaniu zawsze rozdzielaj ap od ae.
Jeżeli nie masz pewności, nie zaczynaj od maksymalnego parametru z tabeli. Sprawdź zalecenia producenta, skróć wysięg, popraw mocowanie i wykonaj próbę na materiale odpadowym. W CNC kilka minut poświęconych na kontrolę obciążenia często oszczędza cały detal, płytkę i nieplanowany przestój maszyny.
