Шероховатость поверхности при обработке на станках с ЧПУ

Шероховатость поверхности — важный показатель для измерения микроскопических неровностей поверхности детали, напрямую влияющих на износостойкость, посадку, усталостную прочность, герметичность и внешний вид детали. При обработке на станках с ЧПУ точный контроль шероховатости поверхности является ключом к оценке качества обработки.

I. Основные понятия: Ra и Rz

Чаще всего вы столкнетесь с двумя параметрами:

· Ra (среднее арифметическое отклонение): наиболее часто используемый показатель. Это среднее арифметическое абсолютных значений смещения контура в пределах длины измерения. Чем меньше значение Ra, тем более гладкой является поверхность.

· Интуитивное понимание: Ra отражает «средний» перепад высот поверхности. Например:

· Ra 0,8 мкм: Видимые следы обработки, но гладкие на ощупь (достигается за счет прецизионное фрезерование и прецизионное точение).

· Ra 1,6 мкм: Слегка заметные следы обработки (общие стандартные требования к тонкой обработке).

· Ra 3,2 мкм: Видимые следы обработки (обычное значение для получистовой обработки).

· Ra 6,3 мкм: отчетливо видны следы инструмента (в состоянии после грубой обработки).

· Rz (максимальная высота): расстояние между линией пика контура и линией низа впадины в пределах длины выборки. При этом особое внимание уделяется экстремальным пикам и впадинам на поверхности, которые имеют наибольшее значение для таких характеристик, как герметичность.

Проще говоря: Ra оценивает «средний уровень», а Rz — «экстремальную ситуацию». В общем случае механическая обработка, Ra используется чаще.

II. Четыре ключевых фактора, влияющих на шероховатость поверхности

Контроль шероховатости поверхности, по сути, подразумевает управление взаимодействием режущего инструмента и заготовки. Основные факторы влияния можно свести к четырём пунктам:

1. Параметры резки (ядро программы ЧПУ)

· Скорость резания (Vc): увеличение скорости вращения/линейной скорости обычно является наиболее эффективным способом улучшения качества обработки. Более высокие скорости могут уменьшить образование нароста на кромке (BUE), делая процесс резания более плавным и, следовательно, обеспечивая более гладкую поверхность.

· Скорость подачи (F): один из параметров, оказывающих наибольшее влияние на шероховатость. Уменьшение скорости подачи может напрямую уменьшить высоту остаточных следов инструмента на обработанной поверхности (теоретическая шероховатость пропорциональна квадрату скорости подачи).

· Глубина резания (Ap): Обычно она влияет на шероховатость косвенно. Чрезмерная глубина резания может вызвать вибрацию и деформацию инструмента, что ухудшает качество поверхности.

2. Выбор инструмента

· Радиус дуги режущей кромки (Re): Увеличение радиуса дуги режущей кромки — ещё один эффективный инструмент для улучшения шероховатости поверхности. Увеличение радиуса дуги может сделать следы инструмента более гладкими и значительно снизить теоретическую шероховатость.

· Материал и покрытие инструмента: покрытия с хорошей износостойкостью (например, TiAlN) и более твердые основы (например, твердый сплав) могут сохранять остроту режущей кромки и уменьшать ухудшение состояния поверхности, вызванное износом.

· Износ инструмента: Изношенные инструменты — главный фактор, влияющий на качество поверхности. Затупившееся лезвие будет сдавливать материал, а не резать его, что приведет к образованию заусенцев, разрывов и резкому увеличению шероховатости поверхности. Режущие инструменты необходимо регулярно проверять и заменять.

3. Станки и зажимные приспособления

· Жесткость/состояние станка: Старые станки с зазорами в подшипниках главного вала подвержены вибрации (флэттеру), которая оставляет заметные следы вибрации на поверхности и серьезно портит шероховатость.

· Жёсткость зажима заготовки: заготовка должна быть надёжно закреплена. Любое лёгкое колебание будет отражаться на обрабатываемой поверхности.

· Точность зажима инструмента: использование высококачественных держателей инструмента (например, термоусадочных держателей инструмента или гидравлических держателей инструмента) позволяет снизить биение инструмента, гарантировать равномерное участие всех режущих кромок в резке и достичь однородной чистоты поверхности.

4. Свойства материала

· Твёрдость и прочность материала: Вязкие материалы (например, алюминий и нержавеющая сталь) склонны к образованию нароста на режущей кромке, а стружка будет налипать на неё и разрушать обработанную поверхность. Хрупкие материалы (например, чугун) с большей вероятностью обеспечат более высокое качество обработки поверхности.

· Охлаждение и смазка: правильное использование охлаждающей жидкости имеет жизненно важное значение.

Для таких материалов, как алюминиевый сплав, достаточное количество охлаждающей жидкости может смыть стружку, предотвратить появление царапин на обрабатываемой поверхности и снизить температуру.

Для нержавеющей стали, титанового сплава и других материалов использование охлаждающей жидкости на масляной основе или охлаждающей жидкости высокого давления может обеспечить эффективную смазку, снизить усилие резания и предотвратить наростообразование на режущей кромке.

III. Практические навыки и решения

Проблемные явления, возможные причины, решения

На поверхности станка/заготовки/инструмента наблюдаются регулярные следы вибрации (флаттер). 1. Проверьте и усильте жёсткость зажима. 2. Отрегулируйте параметры резания (скорректируйте частоту вращения или подачу), чтобы изменить частоту вибрации. 3. Уменьшите длину вылета режущего инструмента и используйте более толстый.

На поверхности инструмента имеются рваные и заусенцы, а также сильный нарост на режущей кромке. 1. Увеличьте скорость резания. 2. Используйте острые инструменты с полировальными канавками. 3. Увеличьте концентрацию и расход охлаждающей жидкости или используйте охлаждающую жидкость с лучшей смазывающей способностью.

Неровная шероховатость поверхности и износ инструмента: 1. Осмотрите и замените изношенные инструменты. 2. Оптимизируйте траекторию обработки, чтобы избежать длительного нахождения инструмента в углу.

Невозможно достичь целевого значения Ra. Неправильное сочетание параметров. 1. Попробуйте сначала уменьшить подачу (F). Затем попробуйте увеличить скорость вращения шпинделя (S). 3. Замените инструмент на инструмент с большим радиусом при вершине (Re).

Проблема программирования траектории инструмента с учетом разницы шероховатости на отдельных участках: 1. Использовать меньшую величину шага (шаг) при чистовой обработке (обычно менее 10% от диаметра инструмента). 2. При чистовой обработке контура использовать дуги для входа и выхода, чтобы избежать прямого проникновения в заготовку.

IV. Классические стратегии настройки параметров (на примере точной обработки)

Чтобы получить более гладкую поверхность (например, Ra 0,8), выполните корректировки в следующем порядке приоритета:

Первый вариант: уменьшить скорость подачи (F). Это самый прямой и эффективный метод.

2. Второй вариант: увеличить скорость резания (Vc/S). При этом необходимо учитывать номинальную скорость режущего инструмента и производительность станка.

3. Снова: увеличьте радиус дуги на кончике ножа (Re). Если инструмент и программа позволяют.

4. Крайний вариант: используйте полировальный инструмент. Некоторые современные режущие инструменты оснащены специально отполированными режущими кромками, что позволяет добиться крайне низкой шероховатости поверхности даже при более высоких скоростях подачи.

И наконец, не забудьте:

· Измерение: объективно оцените результаты, используя измеритель шероховатости поверхности, а не полагайтесь исключительно на невооруженный глаз и осязание.

· Связь с поставщиками: Поставщики инструментов могут предоставить рекомендации по параметрам для конкретных материалов и типов обработки.

· Экспериментируйте и записывайте: проводите простые пробные резы, записывайте успешные комбинации параметров и создавайте собственную библиотеку параметров обработки.

Систематически изучая вышеуказанные факторы и гибко применяя эти методы, вы сможете эффективно прогнозировать и контролировать шероховатость поверхности обработка на станках с ЧПУи производить более качественную продукцию.