Obrotowa prędkość wrzeciona

Tym, co decyduje o szybkości obracania się narzędzia skrawającego lub przedmiotu obrabianego jest obrotowa prędkość wrzeciona. Ma ona wpływ na wydajność obróbki, wykończenie powierzchni i trwałość narzędzia. Jest to liczba obrotów wrzeciona (lub narzędzia) na minutę. Zależy od takich czynników, jak średnica narzędzia, możliwości obrabiarki i wymagania jakościowe.

 W jaki sposób obrotowa prędkość wrzeciona wpływa na jakość obróbki CNC?

Przede wszystkim odgrywa kluczową rolę w wykończeniu powierzchni przedmiotu obrabianego. Wysoka obrotowa prędkość wrzeciona zapewnia lepszą gładkość powierzchni, gdyż narzędzie skrawające porusza się w bardziej płynny i równomierny sposób po powierzchni materiału, redukując ślady po narzędziach i wyżłobienia. Niska prędkość z kolei jest przyczyną powstania na powierzchni nierówności i potencjalnych wibracji narzędzia. Może to być akceptowalne w przypadku obróbki zgrubnej, w której nie przykłada się aż takiej wagi do wykończenia i używa się narzędzi o dużej średnicy.

Obrotowa prędkość wrzeciona przekłada się również na stopień zużycia narzędzi. Wyższa powoduje nadmierne tarcie i generowanie ciepła, a tym samym szybszą jego eksploatację i awaryjność. Z kolei przy niskich prędkościach narzędzie ociera się o powierzchnię przedmiotu obrabianego zamiast ją przecinać. To powoduje tarcie i stępienie ostrej krawędzi skrawającej, przez co zmniejsza się wydajność skrawania i zwiększa się możliwość awarii narzędzia. Dlatego ważny jest dobór narzędzia do projektu, aby jak najlepiej zoptymalizować jego żywotność.

Wyższa obrotowa prędkość wrzeciona ma również wpływ na przepustowość, czyli ilość materiału wycinanego w jednostce czasu. Zwiększa się dzięki temu wydajność obróbki CNC, gdyż materiał jest usuwany w krótszym czasie. Prędkość wrzeciona ma również wpływ na temperatury powstałe w trakcie obróbki CNC. Wyższe powodują większe tarcie, wytwarzanie ciepła na styku narzędzia z przedmiotem obrabianym, mięknienie termiczne oraz pogorszenie jakości powierzchni krawędzi skrawającej. To wpływa nie tylko na obrabiany przedmiot, ale i na jakość narzędzi.

Jak dobrać odpowiednią obrotową prędkość wrzeciona?

Zależy ona od wielu czynników, takich jak materiał obrabianego przedmiotu i narzędzia oraz wymagania jakościowe części. Istotne są tu właściwości materiału, gdyż materiały trudne do skrawania, jak tytan i stal o wysokiej twardości i wytrzymałości wymagają niższych prędkości wrzeciona. Dzięki temu można zapobiec zużyciu narzędzia, przegrzaniu i uszkodzeniu powierzchni. Materiały o wyższej obrabialności, jak np. aluminium, nadają się do obróbki z większą prędkością.

Materiał i geometria narzędzia skrawającego również mają wpływ na dobór prędkości wrzeciona. Narzędzia z węglików spiekanych wytrzymują większe siły i tarcia, czyli będą dobrym wyborem do operacji z dużą prędkością. Inne materiały, jak np. stal szybkotnąca HSS nadają się tylko do średnich obrotowych prędkości wrzeciona. Geometria narzędzia skrawającego jest również istotna przy ustawianiu prędkości wrzeciona. Małe średnice narzędzi wymagają wysokich prędkości skrawania, aby utrzymać odpowiednie prędkości na krawędziach skrawających.

Jakość kalibracji narzędzia również odgrywa ważną rolę, aby określić prędkość wrzeciona. Narzędzia o dużym biciu mogą pękać przy wysokich prędkościach wrzeciona z powodu nieregularnych sił skrawania i przerywanego skrawania.

Obrotowa prędkość wrzeciona w obróbce CNC

Operacje CNC różnią się między sobą mechaniką cięcia i zastosowaniem, jak i optymalnym zakresem prędkości wrzeciona. W obróbce zgrubnej priorytetowe jest maksymalne usuwanie materiału, dlatego aby uniknąć awarii nie stosuje się dużych prędkości. Podobnie w przypadku rozwiercania czy frezowania lepszą kontrolę nad procesem skrawania uzyska się przy niższych prędkościach. W obróbce powierzchni czołowych natomiast można wykorzystać wysokie prędkości wrzeciona, ze względu na ich prostą geometrię. Podczas obróbki CNC optymalna prędkość wrzeciona nigdy nie jest stała. Jest to wartość dynamiczna, która zmienia się wraz z obciążeniem skrawania, nierównomiernymi właściwościami materiału i zaangażowaniem narzędzia. Nowoczesne obrabiarki CNC i systemy CAD/CAM umożliwiają stosowanie zmiennych prędkości wrzeciona. Jest ona dostosowywana do wymagań jakościowych na podstawie informacji zwrotnych w czasie rzeczywistym.

Obróbka szybkobieżna

Obrotowa prędkość wrzeciona powyżej 15000 obr./min. charakteryzuje rodzaj obróbki określany mianem szybkobieżnej. Jest ona niezwykle wydajna, produktywna, a detale uzyskują wysoką jakość. Stosowana jest w centrach obróbczych przeznaczonych do mikroobróbki, w których narzędzia skrawające mogą mieć średnicę mniejszą niż 1 mm, a geometria obrabianego przedmiotu jest niezwykle mała. W skali mikro, wysoka prędkość skrawania jest wymagana głównie do przecinania materiału.

Drgania a prędkość wrzeciona

Drgania podczas obróbki skrawaniem skutkują niską jakością wykończenia powierzchni, jak i skróconą żywotnością narzędzia. Na obrobionej powierzchni widoczne są ślady drgań, często w postaci falistych wzorów lub regularnych śladów. Utrzymujące się drgania mogą powodować nierównomierne zużycie narzędzia, a nawet jego pęknięcie. Drgania maszyn CNC są często słyszalne. Doświadczony operator będzie więc w stanie rozpoznać problem po charakterystycznym dźwięku.

Wprowadzenie odpowiednich zmian w konfiguracji maszyny CNC może wyeliminować lub ograniczyć przyczyny drgań. Warto zacząć od podjęcia działań zwiększających sztywność systemu, zanim zacznie się eksperymentować z posuwami i prędkościami. Rozwiązywanie tego typu problemów wymaga zazwyczaj odrobiny prób i błędów. Najlepsza strategia redukcji drgań może się różnić w zależności od konkretnej maszyny, uchwytu obrabianego przedmiotu, oprzyrządowania, części lub strategii obróbki.

Ostatnim elementem, który należy zmienić, jest obrotowa prędkość wrzeciona. W przypadku problemów z drganiami rezonansowymi warto zwiększać i zmniejszać obrotową prędkość wrzeciona o zaledwie 5%. Konfiguracja maszyny CNC ma prawdopodobnie wiele częstotliwości rezonansowych i zmniejszenie prędkości tylko o połowę umożliwi znalezienie tej prawidłowej. Niektóre pakiety oprogramowania CAM posiadają funkcję ciągłej zmiany prędkości obrotowej wrzeciona, co znacznie ułatwi ustawienie maszyny.