Руководство по плунжерному (врезному) фрезерованию


Вам предстоит выполнить сложную работу по обработке материала, но у вас слишком слабое оборудование либо деталь имеет сложную геометрию (например, глубокие полости)? Если да, то вам поможет плунжерное фрезерование.


Для чего нужно плунжерное фрезерование?


Давайте сначала разберемся, что такое плунжерное (врезное) фрезерование. Метод плунжерного фрезерования заключается в формировании полости, профиля или 3D-поверхности путем внедрения спирального сверла, концевой фрезы или специального инструмента в обрабатываемый материал по вертикали. 

pp1.jpg
Плунжерное фрезерование полости

Данный рисунок подготовлен в программе и демонстрирует процедуру фрезерования полости. Как видно из рисунка, цепочка отверстий фрезеруется вертикально, обеспечивая черновое снятие материала большей части полости. После этого проводится чистовая обработка.


Преимущества плунжерного фрезерования


В некоторых ситуациях оно позволяет повысить эффективность работы. Плунжерное фрезерование обладает двумя важными свойствами, имеющими определенные преимущества:
  • Спиральные сверла обеспечивают большую скорость съема материала по сравнению с концевыми фрезами.

  • У большинства станков с ЧПУ ось Z является наиболее жесткой. Приложение силы вдоль вертикальной оси Z вместо радиальных сил по оси XY позволяет добиться более эффективной обработки – если нарисовать кратко схему приложения сил, можно увидеть, что при плунжерном фрезеровании рычаг равен расстоянию от оси шпинделя до направляющих, а при обычном – от конца фрезы до направляющих. Второе расстояние на порядок больше, следовательно, и момент, действующий на шпиндельную ось тоже.
Осознав эти преимущества, вы сразу поймете, почему плунжерное фрезерование может стать вашим секретным оружием.
Возможно, вы работаете с относительно легким оборудованием или оборудованием, не обеспечивающим достаточную жесткость. Наибольшую жесткость станок имеет по оси Z, благодаря чему вы можете добиться большей скорости съема материала. Кроме того, таким образом решается проблема вибрации, связанная с недостатком жесткости.

Устаревшие или дешевые фрезерные станки с ЧПУ не обеспечивают достаточную жесткость по осям XY, характеризуются менее точную интерполяцию и низкими частотами вращения шпинделя, поэтому применение метода плунжерного фрезерования по оси Z может принести оператору таких станков значительную выгоду. Плунжерное фрезерование будто специально разработано для обрабатывающего оборудования любительского уровня, имеющего недостаточную жесткость и производительность.

Плунжерное фрезерование может быть идеальным вариантом с точки зрения жесткости для работы с глубокими полостями, при обработке которых поперечные силы приводят к деформации инструмента и снижению эффективности работы. По мнению большинства специалистов, плунжерное фрезерование дает преимущества при обработке на глубину более 4 диаметров инструмента.

А что насчет токарно-фрезерных станков, не обеспечивающих достаточную жесткость при фрезеровании по сравнению с фрезерными станками? И снова на помощь может прийти плунжерное фрезерование.
Плунжерное фрезерование также может быть решением проблем при ограниченной частоте вращения шпинделя.


pp2.jpg
Данный рисунок демонстрирует эффектив-
ность 5-осного плунжерного фрезерования
колеса турбины с точки зрения
обеспечения жесткости  


Как насчет обработки тонких стенок? Эта печально известная проблема может быть частично решена плунжерным фрезерованием. Эта методика не поможет полностью решить проблему, поскольку в любом случае придется производить чистовую обработку для удаления волнообразных кромок, однако она позволит добиться более высокой скорости съема материала и снизить вибрацию при черновой обработке.

Фактически, метод плунжерного фрезерования может использоваться в любой ситуации, когда вибрация является довольно ощутимой проблемой.

Другим специальным применением метода плунжерного фрезерования является очистка углов. Когда глубина угла превышает 4 диаметра фрезы, которая проходит в обрабатываемый угол, может возникнуть проблема с жесткостью.

Плунжерное фрезерование способно решить эту проблему в довольно сложных случаях:

pp3.jpg
Плунжерное фрезерование углов


Можно было бы выполнить черновую обработку с использованием траектории для высокоскоростной обработки и концевой фрезы, которая имеет достаточно большой диаметр для обработки углов. В зависимости от формы полости, такой вариант может позволить удалить большую часть материала, не оставляя волнообразных кромок. Для чистовой или получистовой обработки стоит использовать концевую фрезу гораздо меньшего диаметра, производя очистку угла и общую чистовую обработку стенок полости или профиля.

Недостатки плунжерного фрезерования


pp4.jpg


При плунжерном фрезеровании остаются волнообразные кромки, которые могут потребовать значительных усилий по зачистке при получистовом проходе перед чистовой обработкой.
  • Волнообразные кромки: при плунжерном фрезеровании остаются волнообразные кромки (см. рисунок выше), которые необходимо убирать при чистовой обработке. Значительное влияние на трудоемкость обработки оказывает разрешение по осям X и Y. При этом может понадобиться дополнительный получистовой проход для среза кромок перед чистовой обработкой.

  • Центральный проход: Используемый инструмент должен быть либо предназначен для выполнения центрального прохода (за исключением концевых фрез с многогранными режущими пластинами), либо траектория должна позволять вход под углом или по спирали с целью обеспечения достаточного пространства для частичного захода инструмента. Если инструмент не предназначен для центрального прохода, он не в состоянии срезать наклонную поверхность в углублениях.

  • Плунжерное 2D и 3D-фрезерование: Некоторые траектории плунжерного фрезерования поддерживают только 2D-обработку, при которой дно полости находится на той же оси Z, однако существуют траектории для полного 3D-профилирования при плунжерном фрезеровании.

pp5.jpg


  • Типовые спиральные сверла: Точечный угол обычных спиральных сверл является причиной их отклонения при плунжерном фрезеровании со слишком большим перекрытием отверстий. При этом вы также столкнетесь с волнообразным дном полости, что весьма нежелательно. Такая обработка может потребовать использования инструментов с плоской носовой частью, таких как концевые фрезы или специальные спиральные сверла для плунжерного фрезерования.

  • Плунжерное фрезерование является не лучшим вариантом при благоприятных условиях. Плунжерное фрезерование не является основной методикой, заменяющей другие способы обработки. Лучше всего использовать метод плунжерного фрезерования в случаях, когда очевидны его преимущества: обеспечение большей жесткости при меньшей мощности. Если у вас нет проблем с жесткостью и мощностью, плунжерное фрезерование не является оптимальным способом обработки по сравнению с другими вариантами черновой обработки, например, использованием траекторий для высокоскоростной обработки (HSM).


Какие программные CAM-пакеты поддерживают плунжерное фрезерование?


Ниже приведен перечень наиболее популярных CAM-программ, который поясняет, поддерживает ли указанный программный пакет плунжерное
 фрезерование:

pp6.jpg


Для обеспечения качества плунжерного фрезерования необходимо проверить, поддерживает ли ваше ПО следующие возможности:

Во-первых, поддерживает ли пакет плунжерное 3D-фрезерование или только 2D? 3D-фрезерование может использоваться для многих задач, в то время как 2D-фрезерование применимо только для задач с плоским дном полости.

Во-вторых, необходимо узнать, отводится ли инструмент от стенки при выводе его из полости? Эта функция позволяет уменьшить вибрацию и продлить срок службы инструмента при обработке твердых материалов. Ниже приведена схема отвода инструмента при плунжерном фрезеровании, совместно разработанная компаниями WorkNC и Ingersoll:

pp7.jpg
Отвод инструмента от стенки при
плунжерном фрезеровании

Отвод инструмента от стенки при плунжерном фрезеровании позволяет продлить срок службы фрезы на 10-15 процентов, в зависимости от конкретной используемой технологии.


Что делать, если программное обеспечение не поддерживает плунжерное фрезерование?


Как правило, если ваше программное обеспечение не поддерживает определенные траектории движения фрезы, то это считается большой проблемой. Однако, обладая определенными навыками, возможно исправить ситуацию. Основная схема реализации траектории движения инструмента при плунжерном фрезеровании заключается в следующем:
  • Используйте ваше ПО для формирования сетки отверстий (круглых, либо любой другой формы) в рамках контура полости или другой обрабатываемой поверхности. Убедитесь, что вы оставили припуск на чистовую обработку. Возможно, в зависимости от сложности размещения отверстий внутри контура, вам придется увеличить припуск. Ваше программное обеспечение выполнит основную работу, поэтому можете ему довериться при формировании сетки отверстий. Даже если ПО является не лучшим в данной области, большинство программных пакетов позволяет создавать сетку в прямоугольной области или выстраивать отверстия в линию, чтобы впоследствии вы смогли соединить их.

  • На основе сетки отверстий вы разрабатываете программный код для ввода фрезы в каждое отверстие в соответствии с заданными координатами. Это также просто, как заполнение перечня координат отверстий при разработке полного цикла сверления. Существуют определенные вариации. Например, вы можете вручную запрограммировать отход резца от стенок. Кроме того, вам необходимо предусмотреть способ первоначального входа в материал. Самым простым решением этой задачи является использование встроенных кодов вашего ПО для определения начальной точки программы плунжерного фрезерования.
Если вы обладаете хотя бы небольшими навыками программирования и использования ПО, данная задача окажется относительно простой и не отнимет у вас много времени.

Вот небольшой пример, созданный в Rhino3D:

1. Определите контур полости. Задайте припуск на чистовую обработку. Контур с заданным припуском выглядит следующим образом:
pp8.jpg    
Контур полости с припуском на чистовую обработку

2. Разместите на поле круг диаметром, соответствующим диаметру концевой фрезы, таким образом, чтобы касался границы припуска:

pp9.jpg

3. Создайте массив отверстий с шагом (перемещением фрезы между проходами) X и Y, который вы будете использовать: 

pp10.jpg

4.  Удалите все лишние отверстия, выходящие далеко за границы полости: 

pp11.jpg

5. Скорректируйте положение оставшихся отверстий таким образом, чтобы они касались всех контуров с припуском, которые они пересекают:

pp12.jpg

Готово! Теперь у вас есть схема всех необходимых отверстий, соответствующих проходам фрезы. 
Импортируйте схему в ваше ПО и просто работайте с ней как с обычными отверстиями. В результате будет сгенерирован код, доступный для редактирования в дальнейшем. 

На этом программирование не окончено, однако данная работа заняла всего 10 минут, без использования каких-либо шаблонов. Если вам нужно составить простую схему плунжерного фрезерования, эта работа является несложной. Подобное программирование для очистки углов является еще более простой задачей и займет еще меньше времени. 

Подводя итоги можно смело сказать, что плунжерное фрезерование может быть секретным оружием в вашем арсенале средств работы со станками с ЧПУ. 


См. также:

> Обработка слишком больших заготовок

> Встречное и попутное фрезерование

> Сухая и полусухая механическая обработка