Άρθρα

Στο παρόν άρθρο θα ασχοληθούμε με τις βασικές έννοιες του φρεζαρίσματος και πιο συγκεκριμένα με τις παραλλαγές της προσέγγισης στην αφαίρεση υλικού κατά το φρεζάρισμα. Συνεπώς θα αναλύσουμε τις στρατηγικές του ομόρροπου και του αντίρροπου φρεζαρίσματος και θα εξηγήσουμε το πότε είναι προτιμότερο να αξιοποιείται η μία ή η άλλη στρατηγική. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να ξεκαθαριστεί πως η ανάλυση των στρατηγικών και τα όσα θα επεξηγηθούν αφορούν την περίπτωση όπου πραγματοποιείται περιφερειακό φρεζάρισμα.
Όταν ένα εργαλείο κατεργάζεται κατά την περιφέρειά του, σημαίνει ότι περιστρέφεται και προωθείται ως προς το υλικό με κατεύθυνση κάθετη στον άξονα περιστροφής του. Ο τρόπος που εμπλέκεται και αφαιρεί το προς κατεργασία υλικό, έχει όπως θα δούμε άμεσες επιπτώσεις στην κατεργασία και το αποτέλεσμά της. Μπορεί να διακριθούν δύο παραλλαγές περιφερειακού φρεζαρίσματος: το αντίρροπο (conventional) και το ομόρροπο (climb) φρεζάρισμα. Όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια κάθε μία από αυτές τις παραλλαγές έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της.

Αντίρροπο φρεζάρισμα

Το αντίρροπο φρεζάρισμα αφορά εκείνη την περίπτωση όπου το διάνυσμα της ταχύτητας κοπής είναι αντίθετο ως προς την σχετική κίνηση του τεμαχίου ως προς εργαλείο. Στην περίπτωση αυτή το κοπτικό εργαλείο συναντά το υλικό από το μέγιστο πλάτος κοπής και περιστρεφόμενο κινείται προς την ακατέργαστη πλευρά του τεμαχίου. Αυτό σημαίνει πως το αρχικό πάχος του αποβλίττου όπως αυτό έχει αναλυθεί σε προηγούμενη ενότητα, ξεκινάει από το μηδενικό πάχος και καταλήγει σε πάχος που είναι ίσο με την πρόωση ανά δόντι που προκύπτει από την ενεργή ταχύτητα πρόωσης και την ταχύτητα περιστροφής του εργαλείου.

Επιπλέον, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αρχική τριβή του κοπτικού εργαλείου με το υλικό μέχρι το αρχικό πάχος του αποβλίττου να είναι τέτοιο που να επιτρέπει την εκκίνηση της κοπής. Επίσης, σε αυτό το αρχικό στάδιο όπου το κοπτικό εργαλείο τρίβεται με το τεμάχιο και δεν πραγματοποιείται κοπή, το τεμάχιο παραμορφώνεται και ανάλογα την φύση του υλικού μπορεί αυτό να έχει σαν αποτέλεσμα την μερική επιφανειακή του εργοσκλήρυνση. Επιπρόσθετα, η ελαστική επαναφορά της επιφάνειας που δεν έχει παραμορφωθεί πλαστικά κατά το στάδιο της τριβής του εργαλείου με το τεμάχιο, μπορεί να έχει σαν συνέπεια την κοπή εκτός των προδιαγραφών που έχουν οριστεί κατά τις διαστασιολογικές ανοχές του τεμαχίου. Παρόλα αυτά η κατεργασία με αξιοποίηση της στρατηγικής του αντίρροπου φρεζαρίσματος καταπονεί το κοπτικό εργαλείο με δυνάμεις σχετικά παράλληλες στην ταχύτητα πρόωσης με αποτέλεσμα την παραγωγή γεωμετρικά κάθετων επιφανειών αφού η παραμόρφωση που προκαλείται είναι σχετικά παράλληλη στην κίνηση του κοπτικού εργαλείου. Επίσης, θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι αναπτυσσόμενες δυνάμεις (F_c) τείνουν να έλκουν το τεμάχιο προς το εργαλείο με αποτέλεσμα να τίθεται ακόμη και ζήτημα επανεξέτασης του τρόπου συγκράτησης, πχ όταν πραγματοποιείται επιφανειακό φρεζάρισμα σε φρέζες οριζόντιας ατράκτου.

Ακόμη, ένα χαρακτηριστικό της κατεργασίας με αντίρροπο φρεζάρισμα είναι ότι τα απόβλιττα που αφαιρούνται από το τεμάχιο προωθούνται προς την κατεύθυνση της πρόωσης του κοπτικού εργαλείου, πράγμα που κατά περίπτωση μπορεί να σημαίνει την εμπλοκή τους στην περιοχή της κατεργασίας με άμεσο αποτέλεσμα στην παραγόμενη ποιότητα επιφάνειας.
Το τελευταίο χαρακτηριστικό του αντίρροπου φρεζαρίσματος είναι η ιδιότητά του να μην επηρεάζεται από το backlash της εργαλειομηχανής. Άλλωστε αυτός είναι και ο λόγος που το ομόρροπο φρεζάρισμα στην αγγλική λέγεται conventional milling αφού είναι εν γένει μονόδρομος στην επιλογή στρατηγικής όταν η κατεργασία είναι να γίνει σε συμβατικές εργαλειομηχανές ή σε εργαλειομηχανές με αξιοσημείωτο backlash. Ο λόγος που το backlash δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα της κατεργασίας είναι ότι οι δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά την κοπή είναι τέτοιες που ενισχύουν την ζεύξη του μεταφορικού κοχλία με το περικόχλιό του.

Ομόρροπο φρεζάρισμα

Το ομόρροπο φρεζάρισμα αφορά εκείνη την περίπτωση όπου το διάνυσμα της ταχύτητας κοπής είναι προς την ίδια κατεύθυνση με τη σχετική κίνηση του τεμαχίου ως προς εργαλείο. Στην περίπτωση αυτή το κοπτικό εργαλείο συναντά το υλικό από την ακατέργαστη πλευρά του τεμαχίου και περιστρεφόμενο κινείται προς το μέγιστο πλάτος κοπής. Αυτό σημαίνει πως το αρχικό πάχος του αποβλίττου όπως αυτό έχει αναλυθεί σε προηγούμενη ενότητα, ξεκινάει να είναι ίσο με την πρόωση ανά δόντι που προκύπτει από την ενεργή ταχύτητα πρόωσης και την ταχύτητα περιστροφής του εργαλείου και καταλήγει σε μηδενικό αρχικό πάχος όταν η κοπτική ακμή είναι στο μέγιστο πλάτος κοπής.

Σε αυτή την περίπτωση οι δυνάμεις της κοπής είναι σχετικά κάθετες στην κατεργαζόμενη επιφάνεια πράγμα που σημαίνει ότι τα εργαλεία τείνουν να παραμορφώνονται εκτός του επιπέδου κατεργασίας με αποτέλεσμα τα τεμάχια να κινδυνεύουν να παραβιάσουν τις απαιτήσεις των προκαθορισμένων γεωμετρικών προδιαγραφών. Επίσης, δεδομένης της γενικής κατεύθυνσης των δυνάμεων κοπής κατά το ομόρροπο φρεζάρισμα, το κοπτικό εργαλείο τείνει να ωθεί τα τεμάχια προς το τραπέζι στην περίπτωση της επιφανειακής κατεργασίας σε εργαλειομηχανές οριζόντιας ατράκτου με αποτέλεσμα την απλούστευση της συγκράτησης. Παρόλα αυτά η διαδικασία της αφαίρεσης υλικού με τη στρατηγική του ομόρροπου φρεζαρίσματος έχει ως συνέπεια την απομάκρυνση των αποβλίττων από την περιοχή της κοπής ελαχιστοποιώντας την πιθανότητα εμπλοκής τους στην περιοχή της κοπής.

Ακόμη πρέπει να σημειωθεί ότι το ομόρροπο φρεζάρισμα δεν ενδείκνυται όταν η κατεργασία πρόκειται να γίνει σε εργαλειομηχανές με αξιόλογο backlash διότι οι δυνάμεις κοπής τείνουν να επηρεάζουν την σύζευξη του μεταφορικού κοχλία με το περικόχλιό του εισάγοντας κραδασμούς στην κοπή οι οποίοι επηρεάζουν αρνητικά το προσδόκιμο ζωής του κοπτικού εργαλείου.

Αντίρροπο ή Ομόρροπο Φρεζάρισμα;

Το ερώτημα αυτό είναι αδύνατον να απαντηθεί μονολεκτικά αφού θα πρέπει να αντιπαρατεθούν οι δύο στρατηγικές και να εξετασθούν οι περιπτώσεις όπου η μία υπερτερεί της άλλης. Έτσι λοιπόν σε αυτή την ενότητα του άρθρου θα συγκριθούν οι δύο στρατηγικές και θα προσπαθήσουμε να ξεκαθαρίσουμε το πότε θα πρέπει να χρησιμοποιείται η μία ή η άλλη.

Καταρχήν, θα πρέπει να τονισθεί ότι στην γενικότητα των περιπτώσεων το ομόρροπο φρεζάρισμα υπερτερεί του αντίρροπου για τους λόγους που παρατίθενται στην συνέχεια.

Στο ομόρροπο φρεζάρισμα τα εργαλεία εκκινούν την κατεργασία αμέσως με την εμπλοκή τους με την επιφάνεια του τεμαχίου σε αντίθεση με το αντίρροπο φρεζάρισμα όπου τα εργαλεία τρίβονται με το υλικό πριν συναντήσουν το απαραίτητο αρχικό πάχος αποβλίττου ώστε να εκκινήσει η κατεργασία. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα στο ομόρροπο φρεζάρισμα, τα εργαλεία να φθείρονται πιο αργά αφού δεν τρίβονται κατά την εκκίνηση της δημιουργίας του αποβλίττου. Επίσης, για τον ίδιο λόγο δεν υφίσταται εργοσκλήρυνση στην επιφάνεια του τεμαχίου και ακόμη τα παραγόμενα τεμάχια χαρακτηρίζονται από ανώτερες διαστασιολογικές ακρίβειες. Κατά το ομόρροπο φρεζάρισμα η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία της δημιουργίας του αποβλίττου τείνει να απάγεται από το απόβλιττο. Στον αντίποδα στο αντίρροπο φρεζάρισμα η θερμότητα που παράγεται μεταφέρεται σε μεγάλο βαθμό στο τεμάχιο, πράγμα που σε συνδυασμό με τα όσα έχουν αναφερθεί για την αρχική τριβή του εργαλείου στο τεμάχιο, έχει σαν αποτέλεσμα να συμβάλλει στην πιθανή απόκλιση από τις διαστασιολογικές ανοχές. Τα παραπάνω συνηγορούν στο ότι κατά το ομόρροπο φρεζάρισμα οι ενεργειακές απαιτήσεις είναι σημαντικά μικρότερες από ότι στο αντίρροπο. Τέλος, η παραγόμενη επιφάνεια είναι ανώτερη γιατί στο ομόρροπο φρεζάρισμα δεν υπάρχει ο κίνδυνος να κατεργαστούν εκ νέου τα απόβλιττα λόγω του ότι απομακρύνονται λόγω της κινηματικής της κατεργασίας.

Παρόλα αυτά υπάρχουν μερικές περιπτώσεις όπου το αντίρροπο φρεζάρισμα υπερτερεί του ομόρροπου. Έτσι όταν γίνεται κατεργασία επιφανειακά σκληρυμένων τεμαχίων, είναι προτιμότερο να αξιοποιείται η στρατηγική του αντίρροπου φρεζαρίσματος αφού έτσι το κοπτικό εργαλείο δεν έρχεται άμεσα σε επαφή την σκληρυμένη περιοχή του υλικού αλλά η κοπή εκκινεί από το εσωτερικό του υλικού προς την επιφάνειά του. Επίσης, όταν μας ενδιαφέρει η επίτευξη ανώτερων γεωμετρικών προδιαγραφών, τότε θα πρέπει τουλάχιστον η αποπεράττωση να γίνεται με την στρατηγική του αντίρροπου φρεζαρίσματος αφού οι δυνάμεις (F_c) που αναπτύσσονται κατά την κατεργασία τείνουν να είναι σχεδόν παράλληλες με την επιφάνεια της κατεργασίας πράγμα που σημαίνει ότι η παραμόρφωση του εργαλείου κατά την κοπή δεν τείνει να έχει μεγάλη επιρροή στις γεωμετρικές αποκλίσεις. Επιπλέον και για τον ίδιο λόγο το αντίρροπο φρεζάρισμα μπορεί να δώσει καλύτερα αποτελέσματα στην περίπτωση όπου κατεργάζονται λεπτότοιχα τεμάχια αφού οι δυνάμεις κοπής τείνουν να μην παραμορφώνουν τόσο τα τοιχώματά τους. Τέλος, το αντίρροπο φρεζάρισμα είναι σχεδόν πάντα μονόδρομος στις περιπτώσεις όπου η κατεργασία πραγματοποιείται σε εργαλειομηχανές με αξιοσημείωτο backlash.

Εν κατακλείδι, το ομόρροπο φρεζάρισμα είναι συνήθως μονόδρομος και όχι άδικα αφού υπερτερεί στην γενικότητα των περιπτώσεων. Παρόλα αυτά θα πρέπει να αναλογιζόμαστε και τα θετικά του αντίρροπου φρεζαρίσματος και να το εφαρμόζουμε όπου αυτό μπορεί να δώσει καλύτερα αποτελέσματα.

Στην γενικότητα των περιπτώσεων, μία στρατηγική κοπής που μπορεί να δώσει πολύ καλά αποτελέσματα τόσο από πλευράς διαστασιολογικής όσο και από γεωμετρικής ακρίβειας, είναι η υιοθέτηση του ομόρροπου φρεζαρίσματος για το ξεχόνδρισμα και το φινίρισμα και ακολούθως η επανάληψη του φινιρίσματος με στρατηγική αντίρροπου φρεζαρίσματος (ή η υιοθέτηση του ομόρροπου φρεζαρίσματος για το ξεχόνδρισμα και το προφινίρισμα και ακολούθως το φινίρισμα με στρατηγική αντίρροπου φρεζαρίσματος). Προσοχή όμως γιατί η στρατηγική αυτή μπορεί να δώσει τεμάχια εκτός προδιαγραφών εάν το backlash της εργαλειομηχανής δεν είναι αντισταθμισμένο.

Εάν θέλετε να διαβάσετε περισσότερα για την κατεύθυνση των δυνάμεων κοπής και την παραμόρφωση των κοπτικών εργαλείων και του τεμαχίου κατά τις κατεργασίες, μπορείτε να δείτε την παρακάτω βιβλιογραφική πηγή:

Εάν δεν θέλετε να χάνετε τα άρθρα μας, εγγραφείτε στο newsletter μας και θα σας ενημερώνουμε για να νέα άρθρα που θα αναρτούμε καθώς και για τις επόμενες διοργανώσεις των σεμιναρίων προγραμματισμού CNC εργαλειομηχανών.

Για οποιαδήποτε απορία ή πρόβλημα έχετε σχετικά με τις κατεργασίες και τον προγραμματισμό CNC εργαλειομηχανών θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε να βρείτε την καλύτερη δυνατή λύση!

Σε αυτό το άρθρο θα αναλύσουμε την διαδικασία υπολογισμού των συνθηκών κοπής για εργαλεία φρεζαρίσματος. Εάν δεν έχετε διαβάσει το προηγούμενο άρθρο μας με την επεξήγηση και την επιλογή των συνθηκών κατεργασίας, μπορείτε να το διαβάσετε τώρα κάνοντας κλικ εδώ γιατί τα όσα θα αναφέρουμε σήμερα θα βασιστούν στις βασικές αρχές που αναφέρθηκαν σε αυτό.

Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να υπενθυμίσουμε την απλοποιημένη προσέγγιση στις κατεργασίες που ακολουθήσαμε την προηγούμενη φορά. Βάσει του βασικού μοντέλου του μηχανισμού αφαίρεσης υλικού τα δύο μεγέθη που μας ενδιαφέρουν ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε τις συνθήκες κοπής που θα προγραμματίσουμε στον κώδικα κοπής, δηλ. τις στροφές της ατράκτου (RPM) και την πρόωση του κοπτικού εργαλείου (mm/min), είναι η ταχύτητα κοπής (V_C) και το αρχικό πάχος του αποβλίττου (t₀).

Για να γίνει κατανοητός ο υπολογισμός των συνθηκών κοπής που προγραμματίζονται στο φρεζάρισμα θα πρέπει να γίνει μία βασική σύνδεση μεταξύ του βασικού μοντέλου κατεργασίας με την γεωμετρία της κοπής κατά το φρεζάρισμα.

Το φρεζάρισμα πραγματοποιείται από κοπτικά εργαλεία που διαθέτουν κοπτικές ακμές που περιστρέφονται περί του άξονα της ατράκτου. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα κοπής που διαθέτει η κοπτική ακμή κατά τη διαδικασία της αφαίρεσης του αποβλίττου, είναι αποτέλεσμα της περιστροφής της γύρω από τον άξονα της ατράκτου. Έτσι εάν παρατηρήσουμε από την σωστή οπτική γωνία την διαδικασία της αφαίρεσης το αποβλίττου κατά το φρεζάρισμα, θα δούμε ότι μπορεί και αυτό να απλοποιηθεί ακολουθώντας το βασικό μοντέλο που έχει ήδη παρουσιαστεί. Οπότε γίνεται αντιληπτό ότι η ταχύτητα κοπής στο απλοποιημένο μοντέλο κοπής ταυτίζεται με την γραμμική ταχύτητα της κοπτική ακμής του εργαλείου λόγω της περιστροφής της γύρω από τον άξονα της ατράκτου.

Βάσει των παραπάνω, μπορούμε να βρούμε την σχέση που συνδέει την περιστροφική κίνηση του κοπτικού εργαλείου με την ταχύτητα κοπής στην ακμή του, δηλ. την σχέση που συνδέει την ταχύτητα κοπής για το εκάστοτε εργαλείο με τις στροφές της ατράκτου (RPM) που θα προγραμματίσουμε. Έτσι, εάν γράψουμε την αντίστοιχη σχέση που προκύπτει από την μελέτη της απλής περιστροφικής κίνησης και στη συνέχεια μετατρέψουμε αντίστοιχα τις μονάδες παίρνουμε το εξής αποτέλεσμα:

Όπου
S: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου σε RPM
V_C: η ταχύτητα κοπής σε m⁄min, όπως προκύπτει από τον εκάστοτε συνδυασμό κοπτικού εργαλείου και υλικού τεμαχίου αλλά και όσων άλλων παραμέτρων έχουν αναφερθεί στο αντίστοιχο άρθρο (βλ. εδώ)
d: η ενεργή διάμετρος του κοπτικού εργαλείου σε mm

ή εάν λύσουμε τη σχέση ως προς την ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου, παίρνουμε:

Οι δύο τελευταίες σχέσεις είναι οι πιο πολυχρησιμοποιούμενες σχέσεις στην μηχανουργική πρακτική αφού κάθε φορά που αλλάζουμε εργαλείο ή κατεργαζόμενο υλικό θα πρέπει να υπολογίζουμε ξανά την προγραμματιζόμενη ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου.

Το δεύτερο μέγεθος που πρέπει να προγραμματιστεί για να υπάρξει κατεργασία είναι η πρόωση του κοπτικού εργαλείου (F). Η πρόωση στο φρεζάρισμα αφορά την ταχύτητα πρόωσης του άξονα του κοπτικού εργαλείου ως προς την επιφάνεια του τεμαχίου και προγραμματίζεται κυρίως σε mm/min. Εάν παρατηρήσουμε την γεωμετρία της κοπής, θα δούμε ότι καθώς το εργαλείο περιστρέφεται οι κοπτικές ακμές, δηλ. τα δόντια του, έρχονται διαδοχικά σε επαφή με την κατεργαζόμενη περιοχή. Κάθε φορά που ένα δόντι εμπλέκεται εκ νέου με το τεμάχιο, ένα απόβλιττο με αρχικό πάχος  αφαιρείται από αυτό και λόγω της διαρκούς κίνησης του κοπτικού η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται σε όλη τη διάρκεια της κατεργασίας. Το αρχικό πάχος αυτό συμπίπτει με το αρχικό πάχος του αποβλίττου όπως αυτό είχε οριστεί στο απλοποιημένο μοντέλο της κοπής  και είναι ίσο με την απόσταση που προωθείται το κοπτικό εργαλείο από την στιγμή που θα εμπλακεί ένα δόντι του με το κατεργαζόμενο τεμάχιο μέχρι τη στιγμή που θα εμπλακεί το αμέσως επόμενο. Για το λόγο αυτό ονομάζεται και «πρόωση ανά δόντι» του κοπτικού εργαλείου.

Η πρόωση ανά δόντι του κοπτικού εργαλείου εμπίπτει σε όλους τους περιορισμούς που αναφέρθηκαν για το αρχικό πάχος του αποβλίττου σε προηγούμενο άρθρο και θα πρέπει να φροντίζει ο προγραμματιστής να μην υπερβαίνει τα αποδεκτά όρια.

Ο υπολογισμός της προγραμματιζόμενης ταχύτητας πρόωσης του κοπτικού εργαλείου γίνεται με την παρακάτω σχέση η οποία ουσιαστικά δηλώνει ότι η ταχύτητα πρόωσης είναι ίση με την πρόωση ανά δόντι επί τον αριθμό των δοντιών του εργαλείου, επί τον αριθμό των περιστροφών ανά λεπτό.

Όπου
F: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα πρόωσης σε mm⁄min
f_z: η πρόωση ανά δόντι του κοπτικού εργαλείου σε mm
S: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου σε RPM
n_z: ο αριθμός των δοντιών/κοπτικών ακμών του κοπτικού εργαλείου

Ανάλογα την κατεργασία που έχουμε να φέρουμε εις πέρας κάθε φορά, επιλέγουμε το κοπτικό εργαλείο που μπορεί να ανταπεξέλθει με τον καλύτερο και πιο αποδοτικό τρόπο στις απαιτήσεις μας.  Όταν επιλέγουμε ένα κοπτικό εργαλείο, ο εκάστοτε κατασκευαστής μας προτείνει πάντα τις δύο βασικές παραμέτρους της κοπής, δηλ. την ταχύτητα κοπής και την πρόωση ανά δόντι, και εμείς θα πρέπει να υπολογίζουμε τις προγραμματιζόμενες παραμέτρους με χρήση των παραπάνω τύπων.

Ένας κοινός προβληματισμός έγκειται στο γεγονός ότι οι κατασκευαστές δίνουν σχετικά μεγάλα εύρη τιμών τόσο για την ταχύτητα κοπής όσο και για την πρόωση ανά δόντι. Οπότε το ερώτημα που προκύπτει είναι: ποιες τιμές είναι πιο κατάλληλες για την κατεργασία; Αυτό είναι ένα ερώτημα που θα το απαντήσουμε σε επόμενα άρθρα όπου θα έχουμε κατανοήσει καλύτερα τις παραμέτρους που υπεισέρχονται στις κοπές καθώς και το πως αυτές επηρεάζουν την επιλογή των καταλληλότερων συνθηκών.

Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι για την διευκόλυνση του υπολογισμού των προγραμματιζόμενων συνθηκών κοπής υπάρχουν στην αγορά υπολογιστές τσέπης που έχουν ενσωματωμένες τις παραπάνω σχέσεις στην μνήμη τους. Επίσης, υπάρχουν αμέτρητες εφαρμογές για smartphones που μπορούν να υπολογίσουν τις συνθήκες κοπής λύνοντας τους αντίστοιχους τύπους.

Προσωπική επιλογή αποτελεί η εφαρμογή MechTab η οποία είναι δωρεάν και είναι διαθέσιμη τόσο για Android phones όσο και για iPhones.

Εάν δεν θέλετε να χάνετε τα άρθρα μας, εγγραφείτε στο newsletter μας και θα σας ενημερώνουμε για να νέα άρθρα που θα αναρτούμε καθώς και για τις επόμενες διοργανώσεις των σεμιναρίων προγραμματισμού CNC εργαλειομηχανών.

Για οποιαδήποτε απορία ή πρόβλημα έχετε σχετικά με τις κατεργασίες και τον προγραμματισμό CNC εργαλειομηχανών θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε να βρείτε την καλύτερη δυνατή λύση!

Σε αυτό το άρθρο θα αναλύσουμε την διαδικασία υπολογισμού των συνθηκών κοπής για τα βασικά εργαλεία τόρνευσης. Εάν δεν έχετε διαβάσει το προηγούμενο άρθρο μας με την επεξήγηση και την επιλογή των συνθηκών κατεργασίας, μπορείτε να το διαβάσετε τώρα κάνοντας κλικ εδώ γιατί τα όσα θα αναφέρουμε σήμερα θα βασιστούν στις βασικές αρχές που αναφέρθηκαν σε αυτό.

Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να υπενθυμίσουμε την απλοποιημένη προσέγγιση στις κατεργασίες που ακολουθήσαμε την προηγούμενη φορά. Βάσει του βασικού μοντέλου του μηχανισμού αφαίρεσης υλικού τα δύο μεγέθη που μας ενδιαφέρουν ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε τις συνθήκες κοπής που θα προγραμματίσουμε στον κώδικα κοπής, δηλ. τις στροφές της ατράκτου (RPM) και την πρόωση του κοπτικού εργαλείου (mm/min), είναι η ταχύτητα κοπής (V_C) και το αρχικό πάχος του αποβλίττου (t₀). Για να γίνει κατανοητός ο υπολογισμός των συνθηκών κοπής που προγραμματίζονται στην τόρνευση, θα πρέπει να γίνει μία βασική σύνδεση μεταξύ του βασικού μοντέλου κατεργασίας με την γεωμετρία της κοπής κατά την τόρνευση.

Η τόρνευση πραγματοποιείται εν γένει από κοπτικά εργαλεία που διαθέτουν μία βασική κοπτική ακμή η οποία παραμένει σταθερή ως προς την εργαλειομηχανή ενώ το τεμάχιο περιστρέφεται προσαρμοσμένο στην άτρακτο. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα κοπής που επιτρέπει στην κοπτική ακμή να αφαιρεί υλικό είναι αποτέλεσμα της σχετικής κίνησης της ακμής του κοπτικού εργαλείου ως προς το τεμάχιο λόγω της περιστροφής του περί του άξονα της ατράκτου. Κατανοώντας την σχετική κίνηση που λαμβάνει χώρα και παρατηρώντας από την σωστή οπτική γωνία την διαδικασία της αφαίρεσης του αποβλίττου κατά την τόρνευση, θα δούμε ότι μπορεί και αυτή να απλοποιηθεί ακολουθώντας το βασικό μοντέλο που έχει ήδη παρουσιαστεί. Οπότε γίνεται αντιληπτό ότι η ταχύτητα κοπής στο απλοποιημένο μοντέλο κοπής ταυτίζεται με την γραμμική ταχύτητα της κοπτικής ακμής του εργαλείου λόγω της σχετικής του κίνησης ως προς την περιστρεφόμενη επιφάνεια του τεμαχίου. Γι αυτό τον λόγο η ταχύτητα κοπής στην τόρνευση αναφέρεται συχνά και ως επιφανειακή ταχύτητα.

Βάσει των παραπάνω, μπορούμε να βρούμε την σχέση που συνδέει την περιστροφική κίνηση του τεμαχίου με την ταχύτητα κοπής που θα αναπτυχθεί στην ακμή του κοπτικού εργαλείου, δηλ. την σχέση που συνδέει την ταχύτητα κοπής του κοπτικού εργαλείου σε μία συγκεκριμένη διάμετρο κοπής με τις στροφές της ατράκτου (RPM) που θα προγραμματίσουμε. Έτσι, εάν γράψουμε την αντίστοιχη σχέση που προκύπτει από την μελέτη της απλής περιστροφικής κίνησης και στη συνέχεια μετατρέψουμε αντίστοιχα τις μονάδες παίρνουμε το εξής αποτέλεσμα:

Όπου
S: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου σε RPM
V_C: η ταχύτητα κοπής σε m⁄min, όπως προκύπτει από τον εκάστοτε συνδυασμό κοπτικού εργαλείου και υλικού τεμαχίου αλλά και όσων άλλων παραμέτρων έχουν αναφερθεί στο αντίστοιχο άρθρο (βλ. εδώ)
d: η τελική διάμετρος κατεργασίας του τεμαχίου σε mm

ή εάν λύσουμε τη σχέση ως προς την ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου, παίρνουμε:

Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι κάθε φορά που αλλάζει η διάμετρος κατεργασίας, θα πρέπει να αλλάζει και η ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου. Αυτό είναι λογικό και απαραίτητο ώστε να διατηρήσουμε την ταχύτητα κοπής στα ενδεικνυόμενα επίπεδα και να επιτυγχάνουμε κοπές με σταθερή συμπεριφορά και αποτέλεσμα. Η ανάγκη για μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής κάνει πολλές φορές αδύνατο τον εκ των προτέρων προγραμματισμό της, για παράδειγμα όταν η γεωμετρία του τεμαχίου είναι τέτοια όπου η διάμετρος αλλάζει διαρκώς κατά την κοπή. Για να προσπεραστεί αυτό το πρόβλημα, οι κατασκευαστές ελεγκτών CNC εργαλειομηχανών δίνουν την δυνατότητα απευθείας προγραμματισμού της ταχύτητας κοπής μέσω της διαδικασίας ενεργοποίησης της διατήρησης σταθερής επιφανειακής ταχύτητας – Constant Surface Speed (CSS). Έτσι, με την επιλογή αυτή ο ελεγκτής φροντίζει να αναπροσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου όσο αλλάζει η ενεργή διάμετρος κοπής.

Η λογική του προγραμματισμού για την ενεργοποίηση της επιλογής διατήρησης της επιφανειακής ταχύτητας θα γίνει θέμα σε κάποιο μελλοντικό άρθρο.

Το δεύτερο μέγεθος που πρέπει να προγραμματιστεί για να υπάρξει κατεργασία είναι η πρόωση του κοπτικού εργαλείου (F). Η πρόωση στην τόρνευση αφορά την ταχύτητα πρόωσης του κοπτικού εργαλείου ως προς την επιφάνεια του τεμαχίου και προγραμματίζεται είτε σε mm/min είτε σε mm/rev.

Εάν παρατηρήσουμε την γεωμετρία της κοπής, θα δούμε ότι καθώς το εργαλείο πραγματοποιεί την κοπή, το απόβλιττο με αρχικό πάχος f_z αφαιρείται από το τεμάχιο λόγω της σχετικής κίνησης του κοπτικού εργαλείου ως προς το περιστρεφόμενο τεμάχιο. Το αρχικό πάχος αυτό συμπίπτει με το αρχικό πάχος του αποβλίττου όπως αυτό είχε οριστεί στο απλοποιημένο μοντέλο της κοπής t₀ και είναι ίσο με την απόσταση που προωθείται το κοπτικό εργαλείο σε κάθε περιστροφή του τεμαχίου.

Οπότε η επιλογή του προγραμματισμού της πρόωσης σε mm/rev σημαίνει ότι ο ορισμός της ταυτίζεται με το αρχικό πάχος του αποβλίττου όπως αυτή δίνεται κατευθείαν από τους κατασκευαστές κοπτικών εργαλείων. Θα πρέπει όμως να δίνεται προσοχή διότι σε αυτή την περίπτωση η πρόωση του εργαλείου είναι αλληλένδετη με την περιστροφή της ατράκτου. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι χωρίς να υφίσταται περιστροφή της ατράκτου, δεν μπορεί να υπάρχει πραγματική πρόωση του εργαλείου ανεξάρτητα από την όποια προγραμματισμένη πρόωση σε mm/rev.

Η πρόωση ανά περιστροφή του τεμαχίου εμπίπτει σε όλους τους περιορισμούς που αναφέρθηκαν για το αρχικό πάχος του αποβλίττου στο προηγούμενο άρθρο και θα πρέπει να φροντίζει ο προγραμματιστής να μην υπερβαίνει τα αποδεκτά όρια.

Για τον προγραμματισμό της πρόωσης του κοπτικού εργαλείου σε mm/min θα πρέπει να γίνει ο αντίστοιχος υπολογισμός που πρακτικά είναι το γινόμενο της πρόωσης ανά περιστροφή με τον αριθμό των περιστροφών ανά λεπτό.

Όπου:
F: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα πρόωσης σε mm⁄min
f_n: η πρόωση ανά περιστροφή του τεμαχίου σε mm⁄rev
S: η προγραμματιζόμενη ταχύτητα περιστροφής της ατράκτου σε RPM

Ανάλογα την κατεργασία που έχουμε να φέρουμε εις πέρας κάθε φορά, επιλέγουμε το κοπτικό εργαλείο που μπορεί να ανταπεξέλθει με τον καλύτερο και πιο αποδοτικό τρόπο στις απαιτήσεις μας. Όταν επιλέγουμε ένα κοπτικό εργαλείο, ο εκάστοτε κατασκευαστής μας προτείνει πάντα τις δύο βασικές παραμέτρους της κοπής, δηλ. την ταχύτητα κοπής και την πρόωση ανά περιστροφή, και εμείς θα πρέπει να υπολογίζουμε τις καταλληλότερες προγραμματιζόμενες παραμέτρους με χρήση των παραπάνω τύπων.

Ένας κοινός προβληματισμός έγκειται στο γεγονός ότι οι κατασκευαστές δίνουν σχετικά μεγάλα εύρη τιμών τόσο για την ταχύτητα κοπής όσο και για την πρόωση ανά περιστροφή του τεμαχίου. Οπότε το ερώτημα που προκύπτει είναι: ποιες τιμές είναι πιο κατάλληλες για την κατεργασία; Αυτό είναι ένα ερώτημα που θα το απαντήσουμε σε επόμενα άρθρα όπου θα έχουμε αναπτύξει σε μεγαλύτερο βάθος και θα έχουμε κατανοήσει καλύτερα τις παραμέτρους που υπεισέρχονται στις κοπές καθώς και το πως αυτές επηρεάζουν την επιλογή των καταλληλότερων συνθηκών.

Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι για την διευκόλυνση του υπολογισμού των προγραμματιζόμενων συνθηκών κοπής υπάρχουν στην αγορά υπολογιστές τσέπης που έχουν ενσωματωμένες τις παραπάνω σχέσεις στην μνήμη τους. Επίσης, υπάρχουν αμέτρητες εφαρμογές για smartphones που μπορούν να υπολογίσουν τις συνθήκες κοπής λύνοντας τους αντίστοιχους τύπους.

Προσωπική επιλογή αποτελεί η εφαρμογή MechTab η οποία είναι δωρεάν και είναι διαθέσιμη τόσο για Android phones όσο και για iPhones.

Εάν δεν θέλετε να χάνετε τα άρθρα μας, εγγραφείτε στο newsletter μας και θα σας ενημερώνουμε για να νέα άρθρα που θα αναρτούμε καθώς και για τις επόμενες διοργανώσεις των σεμιναρίων προγραμματισμού CNC εργαλειομηχανών.

Για οποιαδήποτε απορία ή πρόβλημα έχετε σχετικά με τις κατεργασίες και τον προγραμματισμό CNC εργαλειομηχανών θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε να βρείτε την καλύτερη δυνατή λύση!

Το πιο συχνό πρόβλημα που καλείται να αντιμετωπίσει όποιος εμπλέκεται με τις μηχανουργικές κατεργασίες είναι η επιλογή των βέλτιστων συνθηκών κοπής για την εκτέλεση μιας εργασίας. Κάθε φορά που χρησιμοποιείται ένα καινούριο εργαλείο ή κάθε φορά που χρησιμοποιείται ένα υπάρχον εργαλείο σε διαφορετικό υλικό, θα πρέπει να υπολογίζονται και να επιλέγονται εκ νέου οι πιο κατάλληλες συνθήκες κοπής. Στη συνέχεια θα εξηγήσουμε τις βασικές έννοιες που θεωρητικά εμπλέκονται στην επιλογή των κατάλληλων συνθηκών ώστε στα επόμενα άρθρα να εμβαθύνουμε στην επιλογή συνθηκών για τα συνήθη κοπτικά εργαλεία σε φρέζες και τόρνους.

Η επιλογή των καταλληλότερων συνθηκών κοπής για μία εργασία, εξαρτάται από παράγοντες όπως:

• το κοπτικό εργαλείο και την γεωμετρία κοπής που το διέπει,
• το ελεύθερο μήκος του κοπτικού,
• το κατεργαζόμενο υλικό,
• το μέγεθος του τεμαχίου,
• την στιβαρότητα της συγκράτησης,
• τις δυνατότητες και τους περιορισμούς της εργαλειομηχανής,
• την λίπανση/ψύξη στην περιοχή της κοπής,
• την απομάκρυνση των αποβλίττων,
• τις απαιτήσεις της μηχανουργικής εργασίας που έχουμε αναλάβει (πχ παραγωγικότητα, απαιτούμενη επιφάνεια, ζητούμενη ακρίβεια κτλ)

και όποιο άλλο παράγοντα μπορεί εν δυνάμει να εισάγει περιορισμούς ή να επηρεάσει το αποτέλεσμα της κατεργασίας μας.

Ο προγραμματιστής/μηχανουργός θα πρέπει να μπορεί να συνδυάζει όλους τους πιθανούς παράγοντες επιρροής ώστε να επιλέγει τις βέλτιστες συνθήκες για την εκάστοτε κατεργασία και να καταλήγει στο καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Οι κατασκευαστές κοπτικών εργαλείων παρέχουν τις τιμές των βασικών παραμέτρων για τον υπολογισμό των αρχικών τιμών των συνθηκών κοπής για τις πιο κοινές κατηγορίες υλικών, και βάσει αυτών θα πρέπει να υπολογίζονται οι στροφές της ατράκτου (RPM) και η πρόωση του κοπτικού εργαλείου (mm/min).

Πριν ασχοληθούμε με τον υπολογισμό και την επιλογή των συνθηκών κοπής θα πρέπει να αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να κατανοήσουμε τις βασικές θεωρητικές έννοιες της κοπής. Έτσι, αρχικά θα μελετήσουμε το πιο βασικό και απλοποιημένα δισδιάστατο μοντέλο κοπής ώστε στη συνέχεια να συνδέσουμε την θεωρία με τις βασικές παραμέτρους που μας παρέχονται από τους κατασκευαστές κοπτικών εργαλείων.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τον μηχανισμό της κοπής, θα πρέπει να γίνει αντιληπτό ότι η αφαίρεση του αποβλίττου είναι ουσιαστικά αποτέλεσμα της αστοχίας του υλικού του τεμαχίου εξαιτίας των ισχυρών διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται κατά την εξαναγκασμένη σχετική κίνηση του κοπτικού εργαλείου ως προς το τεμάχιο. Οι διατμητικές τάσεις αναγκάζουν το υλικό του τεμαχίου να αστοχήσει κατά μήκος μιας περιοχής διάτμησης ή πιο απλοποιημένα ενός επιπέδου διάτμησης το οποίο λόγω του προσανατολισμού του έχει ως αποτέλεσμα να παράγεται απόβλιττο με τελικό πάχος μεγαλύτερο από ότι το αρχικό.

Ο συνδυασμός της γεωμετρίας του κοπτικού εργαλείου σε συνδυασμό με το υλικό του και το υλικό του τεμαχίου, καθορίζουν:

• την ταχύτητα με την οποία πρέπει να κινηθεί ως προς το τεμάχιο ώστε να εξασφαλίζεται η κοπή και παράλληλα να παράγεται αποδεκτή επιφανειακή ποιότητα, και
• το αρχικό πάχος του αποβλίττου που μπορεί να αφαιρεθεί χωρίς να κινδυνεύει να αστοχίσει το κοπτικό εργαλείο.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάθε δεδομένο κοπτικό εργαλείο να μπορεί να πραγματοποιήσει αφαίρεση υλικού σε συγκεκριμένο εύρος ταχυτήτων κοπής για κάθε κατεργαζόμενο υλικό, καθώς και να αφαιρέσει περιορισμένο αρχικό πάχος αποβλίττου.

Εάν η ταχύτητα κοπής είναι μικρότερη των επιτρεπτών ορίων, τότε η κοπή δεν είναι βέλτιστη και η επιφάνεια που παράγεται είναι ποιοτικά κατώτερη. Αυτό οφείλεται συνήθως στο ότι όταν η ταχύτητα κοπής είναι χαμηλότερη του προβλεπόμενου εύρους, αυξάνει η πιθανότητα σχηματισμού ψευδοακμής που έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή στην πραγματική γεωμετρία της κοπής (βλ. video). Ο σχηματισμός ψευδοακμής κατά τις κοπές επηρεάζει ανεξέλεγκτα την διαστασιολογική ακρίβεια των παραγόμενων τεμαχίων καθώς και την παραγόμενη επιφάνεια λόγω του ότι η γεωμετρία της ψευδοακμής αλλάζει στη διάρκεια της κοπής αλλά και γιατί μέρος της ψευδοακμής τείνει να προσκολλάται στην επιφάνεια του τεμαχίου όταν η ψευδοακμή αποκολλάται από το κοπτικό εργαλείο.

Αντιθέτως, εάν η ταχύτητα κοπής είναι μεγαλύτερη των επιτρεπτών ορίων, τότε η θερμότητα που παράγεται από την παραμόρφωση του υλικού κατά την κοπή αλλά και τις αναπτυσσόμενες τριβές δεν αποβάλλεται με αποδοτικό τρόπο με αποτέλεσμα την πρόωρη αστοχία του κοπτικού εργαλείου. Άλλωστε όπως θα δούμε σε επόμενο άρθρο, η διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείο είναι εκθετικά εξαρτώμενη από την ταχύτητα κοπής.

Όσον αφορά το αρχικό πάχος του αποβλίττου, έχει και αυτό κάποια επιτρεπτά όρια που δεν προτείνεται να υπερβαίνονται διότι αυξάνουν οι δυνάμεις κοπής και μαζί τους ο κίνδυνος καταστροφικής αστοχίας του κοπτικού εργαλείου.

Εν κατακλείδι, κάθε κοπή μπορεί να απλοποιηθεί με την παραδοχή ότι μία σφήνα/κοπτικό εργαλείο κινείται με μία ταχύτητα κοπής, Vc, ως προς το τεμάχιο και αφαιρεί υλικό αρχικού πάχους t₀. Αυτές είναι και οι βασικές παράμετροι που δίνονται από τους κατασκευαστές των κοπτικών εργαλείων ώστε να μπορέσουμε να υπολογίσουμε τις συνθήκες κοπής που θα προγραμματίσουμε σε κάθε περίπτωση κατεργασίας – τορνίρισμα ή φρεζάρισμα.

Στα επόμενα άρθρα θα δούμε πως εκφράζονται αυτές οι δύο παράμετροι σε κάθε περίπτωση κατεργασίας, και πως υπολογίζουμε εν τέλει τις συνθήκες κοπής – δηλαδή τις στροφές της ατράκτου (RPM) και την πρόωση του κοπτικού εργαλείου (mm/min).

Εάν δεν θέλετε να χάνετε τα άρθρα μας, εγγραφείτε στο newsletter μας και θα σας ενημερώνουμε για να νέα άρθρα που θα αναρτούμε καθώς και για τις επόμενες διοργανώσεις των σεμιναρίων προγραμματισμού CNC εργαλειομηχανών.

Για οποιαδήποτε απορία ή πρόβλημα έχετε σχετικά με τις κατεργασίες και τον προγραμματισμό CNC εργαλειομηχανών θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε να βρείτε την καλύτερη δυνατή λύση!