Frezowanie boczne – rodzaje i parametry

Jedną z wielu operacji frezowania jest frezowanie boczne, w którym materiał jest usuwany wzdłuż boku przedmiotu obrabianego za pomocą ostrzy obwodowych obracającego się narzędzia skrawającego, zwanego frezem bocznym. W odróżnieniu od frezowania czołowego, które polega na połączeniu czoła narzędzia z powierzchnią górną, frezowanie boczne koncentruje się na powierzchniach bocznych i krawędziach. Jest to idealne rozwiązanie do wykonywania rowków i pionowych powierzchni, które wymagają doskonałej jakości wykończenia. Frez używany do frezowania bocznego ma kształt cylindryczny i posiada krawędzie skrawające na obwodzie. Porusza się poprzecznie wzdłuż przedmiotu obrabianego, a jego oś pozostaje równoległa do powierzchni. Umożliwia to precyzyjne usuwanie materiału prostopadle do powierzchni. Operacje frezowania bocznego zapewniają czystsze krawędzie i utrzymują węższe tolerancje, co jest szczególnie ważne przy produkcji precyzyjnej.

Na jakich frezach bazuje frezowanie boczne?

Średnice frezów wahają się zwykle od 25 mm do 200mm, dzięki czemu oferują wszechstronność w obróbce trudno dostępnych miejsc i w niwelowaniu wibracji. Zależnie od materiału i zastosowania można wybierać spośród różnych materiałów narzędzi skrawających. Frezy ze stali szybkotnącej oferują ekonomiczne rozwiązania do ogólnych zadań obróbkowych. W przypadku bardziej wymagających zadań z udziałem twardych stopów, frezy z węglika spiekanego o drobnym ziarnie zapewniają 5- lub nawet 10-krotnie dłuższą żywotność narzędzia. Do obróbki wykańczającej na sucho z dużą prędkością, frezy ceramiczne są często najlepszym wyborem. Najnowsze badania wskazują na dużą skuteczność powłok PVD z azotku tytanu, azotku tytanowo-glinowego lub tlenku glinu na frezach bocznych. Zmniejszają one tarcie o 30-50%, co znacznie zwiększa trwałość narzędzia i prędkość skrawania.

Jakie parametry określają frezowanie boczne?

Jest to standardowa operacja frezowania, więc parametry nie są zbyt skomplikowane. Zależy jednak od nich wydajność produkcji, jak w przypadku każdej operacji obróbki skrawaniem:

• prędkość cięcia (m/min) określa, jak szybko krawędź skrawająca przesuwa się po powierzchni przedmiotu obrabianego. Wybór prędkości skrawania zależy od takich czynników, jak materiał przedmiotu obrabianego, materiał frezu, geometria frezu oraz wymagania jakościowe, jak wydajność i wykończenie powierzchni,
• prędkość posuwu (mm/obr.) określa, jak szybko całe narzędzie przemieszcza się po przedmiocie obrabianym. Wyższe posuwy wiążą się z wyższą produktywnością, ale gorszą jakością powierzchni i stabilnością termiczną,
• głębokość cięcia osiowego (mm) to głębokość, na jaką narzędzie zagłębia się w obrabiany przedmiot w kierunku osiowym. Większa głębokość skrawania zwiększa wydajność usuwania materiału, ale również siły skrawania. Zazwyczaj wytrzymałość narzędzia ogranicza głębokość osiową skrawania, ponieważ głębsze skrawanie może powodować ugięcia narzędzia, a nawet jego pękanie,
• głębokość promieniowa cięcia (mm) jest powiązana z tym, jaka część średnicy narzędzia penetruje nieobrobioną powierzchnię przedmiotu obrabianego. Większa głębokość skrawania promieniowego zwiększa siły, temperaturę i wydajność. Może ona wynosić 5-10% średnicy frezu w przypadku obróbki wykańczającej ścianek bocznych, do 100% w przypadku frezowania rowków,
• przesunięcie jest bardziej parametrem planowania ścieżki narzędzia niż parametrem obróbki bezpośredniej, miarą tego, jak głęboko narzędzie zagłębia się w obrabiany przedmiot po każdym przejściu skrawania. Mniejsze przesunięcia są czasochłonne, ale zapewniają gładsze wykończenie powierzchni.

Na czym polega frezowanie boczne?

Frez boczny jest montowany na trzpieniu w poziomej frezarce lub bezpośrednio na wrzecionie pionowej frezarki CNC. Głębokość skrawania ustawia się poprzez regulację osi Z, podczas gdy frez jest przesuwany poprzecznie w poprzek przedmiotu obrabianego, który jest sztywno zamocowany do stołu roboczego. Sztywna konstrukcja jest kluczowa dla utrzymania jakości frezowania i uniknięcia deformacji przedmiotu obrabianego.

W przypadku frezów węglikowych zalecana początkowa prędkość powierzchniowa wynosi od 600 do 1200 stóp na minutę (fpm), natomiast frezy ze stali szybkotnącej najlepiej sprawdzają się przy prędkościach od 150 do 600 fpm. Obciążenie wióra zazwyczaj waha się od 0,001 do 0,010 cala na ząb, w zależności od twardości materiału. Prawidłowe dopasowanie prędkości i posuwu jest kluczowe dla utrzymania trwałości narzędzia i zapobiegania nadmiernemu zużyciu narzędzia podczas frezowania bocznego. Podczas frezowania głębszych rowków i szczelin należy rozważyć zastosowanie wysokociśnieniowych systemów chłodzenia (≥1000 psi), które wspomagają odprowadzanie wiórów i obniżanie temperatury wewnątrz maszyny. To nie tylko chroni krawędź skrawającą, ale również poprawia jakość obrabianych powierzchni. Zastosowanie doprowadzania chłodziwa przez wrzeciono pod ciśnieniem powyżej 20 barów lub przepływu chłodziwa wynoszącego 30 litrów na minutę pomaga utrzymać temperaturę krawędzi węglika poniżej 600 °C, zapobiegając przedwczesnemu uszkodzeniu narzędzia i wydłużając jego żywotność.

Cztery etapy frezowania bocznego

Operacje frezowania bocznego zwykle odbywają się w sekwencji czterech przejść:

• mocne zaciśnięcie obrabianego przedmiotu,
• wykonanie obróbki zgrubnej przy 70–80% zagłębieniu promieniowym, aby usunąć większość materiału,
• wykonanie obróbki półwykończeniowej przy nachyleniu promieniowym wynoszącym około 25%,
• wykonanie ostatecznego wykończenia przy 10–15% zagłębieniu promieniowym, aby uzyskać pożądane wykończenie powierzchni i tolerancję.

Frezowanie boczne i jego zalety

Uniwersalną operacją obróbki jest frezowanie boczne CNC, które jest preferowane z następujących powodów:

• wysokiej precyzji, gdyż jest to prosta operacja z minimalnymi zakłóceniami zewnętrznymi i nadaje się idealnie do precyzyjnej obróbki prostych elementów geometrycznych, takich jak rowki, stopnie i kołnierze,
• wszechstronności procesu, gdyż dotyczy zarówno ciężkich części z pionowymi ściankami/rowkami, jak i małych części o delikatnych, cienkościennych cechach. Obrabiać można więc zarówno delikatne płytki zegarkowe o grubości poniżej 1mm, jak i duże listwy zębate przekładni o długości do 2m,
• elastyczności materiału, gdyż dzięki rozwojowi technologii frezów bocznych, frezowanie boczne umożliwia obróbkę trudno skrawalnych materiałów, takich jak stopy tytanu i niklu, przy agresywnych prędkościach i głębokościach,
• dobrej jakości powierzchni, która jest możliwa do uzyskania w zastosowaniach wymagających precyzji poprzez optymalne parametry skrawania, frezowanie współbieżne, precyzyjną kontrolę CNC,
• zwiększonej wydajności usuwania materiału, gdyż frezy o nierównomiernej podziałce mogą zwiększyć wydajność usuwania materiału nawet o 25% bez zwiększania obciążenia wrzeciona, co sprawia, że frezowanie dużych objętości jest znacznie wydajniejsze.

Ograniczenia frezowania bocznego

Do najistotniejszych czynników ograniczających wydajność frezowania bocznego, zalicza się:

• ugięcie narzędzia, które może być spowodowane przez głębsze cięcia, zwiększające siły skrawania. Te z kolei oddziałują na narzędzie, które ze względu na smukłą geometrię jest podatne na zginanie podczas skrawania, a to pogarsza dokładność wymiarową i kształtową oraz żywotność narzędzia,
• drgania, które są spowodowane dużą głębokością skrawania i zagłębieniem narzędzia. Poprzez dobranie prędkości wrzeciona w strefach stabilności, można zmniejszyć amplitudę drgań nawet o 80%,
• złożone ścieżki narzędzi, które są czasochłonne i trudniejsze do zaplanowania i wykonania niż w przypadku frezowania czołowego. Oprogramowanie CAM wymaga więcej czasu na przetworzenie zmieniających się cech na głębokości części, która często jest bardziej zmienna niż cechy jej powierzchni,
• słabe odprowadzanie wiórów, co może spowodować nawet pięciokrotny wzrost temperatury powierzchni przyłożenia, powodując przedwczesne zużycie narzędzia. Zapobiec temu może zastosowanie łamacza wiórów oraz systemy chłodzenia przez wrzeciono.

Frezowanie boczne i kluczowe założenia

Jakość frezowania bocznego CNC zależy od kilku czynników, jakimi są:

• wybór parametrów skrawania, optymalnej kombinacji prędkości skrawania, posuwu i głębokości skrawania jest niezbędny dla zapewnienia jakości detali, minimalnego zużycia i zarządzania trwałością narzędzia,
• wybór materiałów i powłok, z jakich wykonane są narzędzia, gdyż do wyboru jest szeroka ich gama, a odpowiedni ich dobór do materiału detalu jest kluczowy. Stal szybkotnąca będzie preferowana do materiałów łatwoskrawalnych, a węglik spiekany jest polecany do materiałów trudnoskrawalnych, jak stale i stopy tytanu,
• wybór parametrów frezu bocznego, jak długość, średnica, ilość rowków wiórowych, geometria krawędzi skrawającej, kąt pochylenia linii śrubowej, kąt natarcia, krawędź boczna, łamacze wiórów i promień krawędzi skrawającej. Specyfikacje te mają wpływ na mechanikę skrawania na styku narzędzia i przedmiotu obrabianego, determinując wielkość i kierunek sił skrawania, wiórów, odprowadzania ciepła oraz zapotrzebowanie na moc wrzeciona,
• strategie chłodzenia i smarowania, które poprawiają właściwości powierzchniowe frezu i przedmiotu obrabianego, zmniejszając tarcie i wytwarzanie ciepła, chłodzą też powierzchnię skrawającą i odprowadzają wióry,
• strategia ścieżki narzędzia, która definiuje sposób, w jaki narzędzie porusza się po obrabianym przedmiocie w trakcie obróbki. Programiści CAM kontrolują to za pomocą m.in. takich technik jak frezowanie współbieżne/konwencjonalne, przejścia wielokrotne, techniki ścieżki narzędzia (śrubowe, zygzakowate i in.) oraz parametry skrawania.

Rodzaje operacji frezowania bocznego

Każdy rodzaj frezowania bocznego koncentruje się na uzyskaniu określonego wykończenia powierzchni, głębokości skrawania lub tolerancji wymiarowych na powierzchniach płaskich lub szczegółowych profilach. Wybierając odpowiednią metodę frezowania bocznego, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak geometria elementu, konfiguracja maszyny, rodzaj frezu i prędkość posuwu.

• frezowanie płytkowe (płaskie) to najprostsze frezowanie boczne, które wykorzystuje boczny frez do obróbki płaskiej powierzchni bocznej, zwykle jest tu wykorzystywana prosta ścieżka narzędzia, a efektem jest duża, płaska powierzchnia wzdłuż kierunku pionowego lub powierzchnia kątowa,
• frezowanie boczne kątowe pozwala uzyskać płaską powierzchnię, ale narzędzie jest ustawione pod kątem innym niż 90° względem powierzchni odniesienia przedmiotu obrabianego. Jest to bardzo przydatne przy wykonywaniu elementów kątowych, takich jak fazowania, skosy czy prowadnice kątowe, często konieczne jest użycie specjalistycznych frezów kątowych, których pożądany kąt jest już wbudowany w konstrukcję narzędzia,
• frezowanie boczne czołowe to hybrydowy proces frezowania, w którym boczne i obwodowe krawędzie frezu jednocześnie skrawają pionowe i poziome powierzchnie przedmiotu obrabianego, jest to rozwiązanie bardzo wydajne do frezowania rowków czy wpustów, gdyż posiada cechy obróbki ścianek, jak i powierzchni czołowej,
• frezowanie konturowe jest podobne do frezowania prostego, ale odbywa się wzdłuż skomplikowanych, zakrzywionych ścieżek narzędzia. Przydatne do obróbki części o nieregularnych konturach na powierzchniach pionowych.

Przyszłe trendy i innowacje

Coraz powszechniejsze staje się mikrofrezowanie z dużą prędkością. Dotyczy to głównie precyzyjnej obróbki miniaturowych prototypów oraz skomplikowanych rowków i żłobków. Hybrydowe geometrie narzędzi, takie jak frezy z wielomateriałowym rdzeniem i powłoką z węglików spiekanych oraz rowkami wiórowymi pokrytymi cermetem, podwajają trwałość narzędzi na trudnych powierzchniach, takich jak żeliwo sferoidalne hartowane izotermicznie. Kolejną istotną zmianą, jakiej poddało się frezowanie boczne jest optymalizacja posuwu oparta na czujnikach. Wbudowane czujniki siły w trzpieniach obrabiarek przesyłają dane na żywo do algorytmów AI. Umożliwia to regulację w czasie rzeczywistym, która może skrócić czas cyklu nawet o 15%. Sterowanie wspomagane przez AI poprawia również spójność wykończenia powierzchni i zmniejsza zużycie narzędzi, ułatwiając osiągnięcie bardziej rygorystycznych tolerancji.