Фактори за намалена точност и производителност при фрезоване

Точността и производителността са основни показатели, характеризиращи ефективността на механичната обработка. Те не могат да имат едновременно максимуми и затова се търси оптималното им съчетаване.

Влияние оказват редица фактори, свързани с технологичната система, технологията на обработката и участието на човека, чието познаване дава възможност за редуциране на тези с негативно въздействие.

Фактори, свързани с технологичната система
Фрезова машина. От важно значение е нивото на началната геометрична и кинематична точност, степента на автоматизация, мощностните и скоростните характеристики.

Колкото по-висок е класът на фрезовата машина, толкова по-строги са изискванията към геометричната й точност. Примери за геометрични неточности са неравнинността на работната повърхнина на масата (фиг. 1), радиалното биене на базовия конус спрямо оста на ротация на шпиндела (фиг. 2), неправолинейността на траекторията на движение на подавателните органи, отклонението от взаимна перпендикулярност на тези траектории и др. Точността на позициониране се разглежда като част от геометричната точност. 

Кинематичната точност характеризира отклонението от програмираната траектория при извършване на интерполация (линейна, кръгова, хеликоидална, сплайнова и др.).

За извършване на производителна обработка, машината трябва да притежава висока скорост на бързия ход, необходимата мощност и въртящ момент на шпиндела и осова сила на подавателните органи.

Производителността се подобрява заедно с повишаването на степента на автоматизация, ефектът от която се състои основно в намаляване на спомагателните времена, които нерядко са по-големи от машинните. Това се постига например чрез системи за автоматична смяна на инструментите и заготовките.

Ако към базовото изпълнение (с три линейни оси) на една машина с ЦПУ се присъединят още две ротационни оси, технологичните възможности и обхватът на приложение се разширяват изключително. 

Ефектът се проявява както за точността (работи се при една установка, с по-къс и стабилен инструмент), така и за производителността (отпада времето за транспортиране и установяване върху други машини).

Заготовка. В идеалния случай заготовката трябва да повтаря профила и да е близка по размери до детайла за да се намали обемът на снеманата стружка, а заедно с това да се съкрати машинното време и разходът на инструмент. Наличието на твърда кора по повърхността (оксиден слой, избелен чугун) увеличава машинното време и влияе отрицателно върху трайността на инструмента. 

Неконтролираното отклонение от физико-механичните свойства на материала не позволява реализирането на рационални режими на рязане. Свойствата на материала трябва да са постоянни в целия обем, без скрити дефекти. За предпочитане са заготовки с по-голяма собствена коравина и предварително обработени базови повърхнини.

Приспособления и принадлежности за заготовката. Геометричните неточности на приспособленията оказват влияние върху отклоненията от правилното положение (базирането) на заготовката спрямо инструмента. Закрепването на заготовката също може да поражда грешки - собствени деформации на заготовката, изместването й спрямо базиращите елементи под действие на силите на рязане, повреди на обработени вече повърхнини. Закрепването трябва да е бързо, опростено и надеждно.

Много важно е точното ориентиране на приспособлението спрямо Т-образните канали на работната повърхнина на масата или спрямо други базиращи повърхнини, тъй като всяко едно отклонение поражда грешка, която се повтаря от детайл към детайл.

При машините с ЦПУ проблемът с неправилното настройване на заготовката престава да има решаващо значение за точността. Чрез система за измерване върху машината може да се определи точното положение на заготовката. Неголеми ъглови и линейни отклонения могат да бъдат компенсирани от системата за ЦПУ и точността на обработката да се запази. Повишава се и производителността, тъй като не се губи спомагателно време за прецизно настройване, което придобива значение при голямогабаритните и тежки заготовки. Успоредно с това, детайлът може да се измерва междинно или окончателно без снемане от машината.

Специалната технологична екипировка, универсалните сглобяеми модулни приспособления и наличието на бързо механизирано закрепване съкращава спомагателното време.

Многоместните приспособления са пример за рационално използване на работното пространство на машината и повишаване на производителността чрез едновременно или последователно обработване. 

Ефектът се проявява в резултат на намалените времена за базиране и закрепване. Интересна е стратегията за последователно обработване на еднообразни детайли при една установка първоначално с първия инструмент, след това с втория и т. н. По този начин се намалява неколкократно броят на инструменталните смени и свързаната с тях загуба на спомагателно време.

Типичен представител на принадлежностите е универсалният делителен апарат. Неточностите в работата му могат да се дължат на отклонения от началната му точност, наличие на хлабини, неправилно настройване на делителния диск, неточно позициониране спрямо инструмента и др. Аналогични са негативните ефекти, свързани с грешките при работа с друга присъща принадлежност, каквато е въртящата делителна маса.

Режещ инструмент и инструментодържачи. Важни за ефективното използване са ъглите на рязане (преден, заден, главен установъчен и др.), наклонът на винтовата линия, броят и широчината на стружкоотвеждащите канали и др. 

Принципно погледнато, фрезовият инструмент е контурен инструмент и неговите форма и размери (за разлика от някои дискови и модулни фрези) не се копират автоматично върху обработваната повърхнина. Подценяването на процедурата за точно измерване на диаметъра и дължината на фрезата може да доведе до съществени неточности при обработването. 

Това важи с особена сила за инструмента, предназначен за чиста обработка. Измерването трябва да става в сглобен вид заедно с инструментодържача както извън машината, така и върху нея. Извънмашинното измерване се осъществява на специализирани измервателни уреди; допълнителният ефект от него е елиминирането на непроизводителния престой на машината. 

За измерването върху машината се използват уреди за докосване (фиг. 3); процесът се ускорява и се свежда до няколко секунди. Освен точните размери, на контрол се подлага целостта на инструмента. Периодичното измерване показва текущото му износване, което може да бъде компенсирано автоматично.

За разлика от монолитните фрези, които пристигат с фабричната си точност, фрезите със сменяеми пластини изискват допълнително цехово настройване; целта е избягване на радиално и осово биене на режещите ръбове (зачистващите пластини се монтират по различен начин).

Инструменталният материал на режещата част и неговото покритие трябва да се избират в строго съответствие с препоръките на производителя в зависимост от типа на обработвания материал (стомана, чугун, цветна сплав и т. н.), вида на обработката (груба, получиста, чиста), условията на рязане (със или без прекъснато рязане), начина на мазане и охлаждане (с обилно впръскване на мажещо-охлаждаща течност, сухо рязане, квазисухо рязане с маслена мъгла).

Правилният избор на типа на патронника (цангов, хидропластов, термопатронник) за установяване на опашковата фреза в инструментодържача се отразява върху големината на радиалното биене и момента на затягане (за предотвратяване на превъртането). Най-подходящ за целта е термопатронникът.

Производителността и точността при серийната обработка нарастват при монтиране върху общ дорник на комплект фрези, всяка от които обработва отделен елемент от даден профил. Ефект се постига и чрез едновременната работа на няколко отделни фрези, което се прилага при фрез-хобелите.

Небалансираният инструмент поражда вибрации, износването му се интензифицира, заложените режими на рязане принудително се намаляват и машинното време се увеличава. За балансирането се използват общи за цеха уреди, процедурата отнема няколко минути и се ускорява, ако инструментодържачът конструктивно е пригоден за бързо отстраняване на дебаланса.

Обикновено се предпочитат фрези с нормална стъпка, тъй като могат да изпълняват успешно различни операции. Фрезите с едра стъпка, т. е. с по-малък брой зъби, са предназначени за машините с по-малка статична стабилност и мощност и голяма дължина на инструмента; работят при малки минутни подавания. Предлагат се фрези с променлива стъпка за намаляване на вибрациите.

Съпротивителни свойства. Работната точност е толкова по-висока, колкото по-добри са съпротивителните свойства на технологичната система като цяло. От тях зависи големината на еластичните и топлинните деформации, интензивността на вибрациите, скоростта на износването. 

Практическите препоръки за рационално използване на съпротивителните свойства не могат да се вместят в обема на дадената статия. Ще отбележим само, че в цехови условия с избора на главния установъчен ъгъл на фрезата може да се влияе върху големината на поражданите от нея еластични деформации чрез подходящо насочване на силата на рязане. 

Топлинните деформации са свързани с продължителността и интензивността на действие на топлинните източници, поради което те се намират в непрекъснат динамичен процес на нарастване и намаляване (фиг. 4). 

В общия случай тенденцията е към повишаване и след определен период може да се достигне до състояние, при което деформациите остават постоянни и могат да бъдат компенсирани. Именно тогава е целесъобразно извършването на точните обработки. Точността и производителността нарастват при използване в машината на система за автоматично предотвратяване и компенсиране на топлинните деформации.

Технология на обработката
Оказва много силно влияние върху ефективността на фрезоването. Негативите за точността и производителността могат да бъдат свързани с неправилното разделяне на големините на прибавките за грубата, получистата и чистата обработка, неподходящия избор на стратегия (например еднопосочно и насрещно фрезоване) или инструмент за дадена обработка, неточното определяне на режимите на рязане и вида на охлаждането и мазането. 

Отрицателно влияние върху точността има неправилният избор на схемата на базиране и закрепване (несъвпадане на конструкторската и технологичната база), неподходящото и недооборудвано приспособление.

Производителността е правопропорционална на дълбочината на рязане ap, широчината на фрезоването ае и минутното подаване Vf. Тъй като Vf е свързано с Vс, с увеличаване на Vс производителността нараства. Но това трябва да се прави до достигане на икономически изгодната стойност на Vс, тъй като по-нататъшното увеличаване води до намаляване на трайността на инструмента, нарастване на относителния дял на спомагателното време (например за смяна на инструмента) и икономическата ефективност на обработката намалява.

Повишаването на подаването на зъб fz води до ефект за производителността, но същевременно става причина за нарастване на грапавостта.

Изборът на диаметъра на фрезата D най-често зависи от широчината на обработваната повърхнина, а също така от мощностните характеристики на машината. При челно фрезоване се препоръчва диаметър на фрезата D, по-голям от широчината на фрезоването ae с 20-50%. Съотношението ae/D = 0,7 е най-благоприятният случай на фрезоване.

С увеличаването на броя на зъбите се намалява грапавостта на обработваната повърхнина, повишава се производителността, но нараства необходимата мощност за фрезоване. Това е от особено важно значение при грубите обработки, където дебелината на срязвания слой е голяма. Поради това върху машините с по-малка мощност се използват фрези с малък брой зъби.

Посоката на силата на рязане в значителна степен зависи от големината на главния установъчен ъгъл. При ъгъл 90 градуса силата на рязане е насочена предимно в радиално направление. При ъгъл 45 градуса осовата и радиалната компонента на силата на рязане са практически равни, консумираната мощност не е голяма, дебелината на срязвания слой е по-малка, отколкото при 90 градуса, което позволява да се увеличи подаването на зъб. 

При фрезите с кръгли пластини ъгълът се изменя от 0 до 90 градуса в зависимост от дълбочината на рязане ар, режещият ръб е достатъчно здрав и може да се работи при големи подавания.

Следва да се предпочита еднопосочното фрезоване, тъй като осигурява по-добро качество на обработената повърхнина. Насрещното се препоръчва при наличие на хлабини в подавателните преводи и при твърда повърхност на заготовката.

Грапавостта на обработваната повърхнина се намалява при режещи пластини със зачистваща фаска. При челни фрези с голям диаметър могат да се монтират специални зачистващи пластини и подаването на зъб да се увеличи 2-3 пъти, без това да повиши грапавостта.

Успешното фрезоване в голяма степен зависи от траекторията на врязването и излизането на инструмента от зоната на рязане. При външните контури е препоръчителна кръговата траектория; при джобовете врязването трябва да е по винтова линия или под наклон.

Важни за точността и производителността са съвременните технологични стратегии на традиционната и високоскоростната обработка - различни спирални и паралелни стратегии, трохоидално фрезоване. 

От полезрението често убягва плунжерното грубо фрезоване, което осигурява висока производителност. Недооценяват се възможностите на технологичния подход “дообработване на остатъците” - точно дообработване с подходяща фреза на недостъпните за производителен инструмент с голям диаметър зони.

Използването на съвременни методи и средства за програмиране създава условия за съкращаване на времето за технологична подготовка на производството и същевременно способства за повишаване на точността. 

Привеждането на една програма в работоспособен вид и внедряването й в производството се улеснява и ускорява от съвременните средства за компютърно тестване (симулиране, визуализиране, верифициране), които контролират както точността на обработката, така и възможните колизии.

Човешки фактор
Високата квалификация, производственият опит, отговорността, способността за концентриране, стремежът към усвояване на нови знания и самоусъвършенстване са все положителни характеристики на специалистите, свързани с производствения процес. От тях зависи както качеството на технологичната подготовка, така и самото провеждане на механичната обработка.

Например един технологичен процес (програма) може да се възприема като удовлетворителен, но ако технологът (програмистът) прояви творчество, усърдие и компетентна оценка в избора на най-подходящия технологичен вариант, процесът (програмата) може да се оптимизира и обработката да се окаже още по-точна и производителна.

Ако операторът не борави правилно с машината и технологичната екипировка и допуска механични повреди, не почиства старателно контактните повърхнини преди базиране и закрепване, не спазва технологичната дисциплина и изискванията на технологичната документация, не извършва дейностите по поддръжката съгласно регламентите за периодичност и съдържание, това може да компрометира усилията на целия производствен екип.

доц. д-р инж. Пламен Угринов