Сравнение положительных и отрицательных углов грабли для различных типов материалов

В металлообработке и промышленной обработке угол грабежа режущего инструмента является одним из наиболее важных геометрических параметров, влияющих на эффективность процесса, срок службы инструмента и качество деталей. Хотя часто упускаются из виду те, кто новичок в обработке, выбор между положительным и отрицательным углом грабежа может определить успех или неудачу при работе с различными материалами. Это расширенное руководство погружается в механику, компромиссы и рекомендации по материалу для каждой конфигурации грабежа, оснащая машинистов, инженеров и программистов с ЧПУ знаниями для принятия обоснованных решений.

Понимание грабительских углов в инструментах резки

Угол сдвига определяется как угол между лицом с рейка инструмента (поверхность, по которой текут чипы) и плоскостью отсчета, перпендикулярной поверхности заготовки. В ортогональной резке этот угол непосредственно влияет на угол сдвига - угол, под которым материал деформируется и отделяется. Более крупный угол сдвига обычно означает более тонкие чипы, более низкие силы резки и меньшее производство тепла, в то время как меньший угол сдвига приводит к более толстым чипам, более высоким силам и большему теплу.

Углы грабли обычно классифицируются как позитивные , ноль или отрицательные:

• Положительные углы грабли (больше 0°) наклоняют режущую кромку вперед, делая инструмент «шарпером».
• Нулевые углы грабли (0°) имеют лицо, перпендикулярное исходной линии.
• Отрицательные углы грабли (менее 0°) наклоняют режущую кромку назад, делая инструмент «блантером».

В практических операциях поворота и фрезерования углы грабежа часто определяются в двух направлениях: заднем грабеже (боковой грабеж) и боковом грабеже (наклон режущего края). Для простоты большинство дискуссий относится к эффективному углу грабежа в плоскости резки. Геометрия вставки, включая щепки и подготовку кромки, дополнительно модифицирует эффективный грабеж, но остается фундаментальным принципом: положительные грабли уменьшают силы резания за счет прочности кромки, в то время как отрицательные грабли усиливают край, но увеличивают силы и тепло.

Понимание этого компромисса важно, потому что разные материалы заготовки имеют различную прочность, твердость и пластичность. Мягкие, более пластичные материалы, такие как алюминий, хорошо реагируют на острые края, которые четко сдвигаются, в то время как жесткие абразивные материалы, такие как чугун, требуют прочных краев, которые могут выдерживать удар и истирание.

Позитивные граблевые углы: преимущества и ограничения

Как работают положительные грабли

Когда угол грабежа положительный, режущая кромка относительно острая и задействует заготовку под более острым углом. Эта конфигурация позволяет чипу легче скользить по поверхности инструмента, уменьшая трение и энергию, необходимую для пластической деформации. Результатом является более низкий коэффициент трения между чипом и инструментом, что напрямую приводит к снижению силы резания, снижению энергопотребления и уменьшению выработки тепла в зоне резания.

В практическом плане положительный угол грабежа облегчает более плавное режущее действие. Чипы имеют тенденцию быть тоньше и более непрерывными, что способствует лучшей отделке поверхности. Это особенно полезно при обработке материалов, склонных к закалке или требующих чистой косметической отделки без вторичных операций.

Преимущества позитивных граблевых углов

• Низкие силы разреза: Уменьшенное требование силы позволяет обрабатывать менее жесткие машины или установки, где удержание рабочего места менее надежно. Это также уменьшает отклонение стройных заготовок, улучшая точность размеров.
• Лучшее поверхностное завершение: Более низкое трение и более тонкие чипы приводят к меньшему разрыву и полировки поверхности заготовки, что приводит к более точным значениям Ra (арифметическая средняя шероховатость).
• Сокращение потребления энергии: Поскольку при деформации чипа расходуется меньше энергии, положительные углы грабежа более энергоэффективны, что может снизить эксплуатационные расходы и продлить срок службы машины.
• Улучшенная эвакуация чипов: Во многих геометриях положительные граблевые вставки разработаны с открытыми канавками чипов, которые позволяют чипам свободно течь без скопления. Это снижает риск заклинивания чипа в глубоких разрезах или плотных пространствах.
• Сокращение конструкционного края (BUE): Более низкие температуры и более плавный поток микросхем помогают минимизировать образование нарастающего края — распространенная проблема при резке липких материалов, таких как алюминий или низкоуглеродистая сталь на низких скоростях.

Недостатки и когда их избегать

Положительные углы грабежа имеют значительный недостаток: режущая кромка по своей природе слабее. Тонкий, острый край склонен к разрыву, растрескиванию и быстрому износу при воздействии высоких прерывистых нагрузок, твердых включений или при обработке материалов с высокой прочностью на сжатие. Если материал абразивный (например, чугун с песчаными включениями) или если разрез прерывается (например, фрезерование детали с помощью клавиш), положительный грабитель может преждевременно выйти из строя.

Кроме того, положительные углы грабли создают меньшую силу сжатия на краю, что может позволить вставке отходить от сиденья в ситуациях с высоким кормом, если зажим не является надежным.По этим причинам положительные граблевые вставки лучше всего зарезервировать для мягких, пластичных и более обрабатываемых материалов в условиях устойчивой резки.

Типичные приложения для положительных граблевых углов

• Алюминиевые сплавы (6061, 7075, A360): Общие положительные углы грабли варьируются от +10° до +20°. Наращенный край и пластичное поведение алюминия делают положительные грабли идеальными для достижения зеркальной отделки.
• Медь и медь: Эти материалы относительно мягкие и могут разрываться при разрезании отрицательным граблями.Положительные грабли (+5° до +15°) производят чистые, беззаустные поверхности.
• Пластика и композиты: Нейлон, акрил и поликарбонат требуют острых краев, чтобы избежать плавления или испарения.Положительные углы грабли (+10° до +25°) минимизируют размазывание и деламинирование.
• Низкоуглеродистая сталь (например, 1018): В то время как сталь может быть разрезана отрицательными граблями, положительные грабли иногда используются для отделки проходов для достижения тонкой отделки поверхности.

Негативные грабли: сила и долговечность

Механика отрицательного сокращения граблей

Отрицательные углы грабли (обычно от -5° до -15°) означают, что грань инструмента наклонена от направления резки, поэтому край эффективно «отрицательный». Эта конфигурация увеличивает включенный угол режущей кромки — угол клина между гранью грабли и фланговой гранью — что делает его гораздо более прочным. Вместо острого ножа инструмент ведет себя больше как клин, который просачивается через материал.

При резке отрицательным граблином щепка сжимается между инструментом и неразрезанным материалом, в результате чего получается более толстый щеп и меньший угол сдвига. Это требует большей силы, но также означает, что край инструмента находится под высоким сжимающим напряжением, а не растягивающим напряжением. Карбид и керамические оружейные материалы намного сильнее в сжатии, чем в натяжении, поэтому отрицательная грабли геометрия защищает край от разрушения. Именно поэтому отрицательная грабля является стандартом для прерываемых разрезов и для тяжелой шероховатости твердых материалов.

Преимущества отрицательных граблевых углов

• Большая прочность края: Более крупный включенный угол делает режущую кромку устойчивой к чипированию и микротрещине. Это имеет решающее значение для резки твердых, абразивных или чешуйчатых материалов.
• Долгосрочная жизнь инструментов: Распределяя силы резания на большей площади, отрицательные граблевые вставки изнашиваются медленнее, особенно при обработке на высоких скоростях или с использованием недорогих инструментальных материалов, таких как высокоскоростная сталь.
• Способность обрабатывать прерванные разрезы: Процессы мельницы, особенно с индексируемыми карбидными вставками, выигрывают от отрицательной геометрии граблей, потому что край может пережить удар, когда инструмент входит и выходит из разреза.
• Лучшее рассеивание тепла: Более толстый чип и большая площадь контакта позволяют проводить тепло от режущей кромки в корпус инструмента (и в конечном итоге охлаждающей жидкости). Это предотвращает тепловое размягчение вставки.
• Улучшенное сопротивление истиранию: Для материалов с твердыми включениями или отливными шкалами (например, серый чугун с охлажденными поверхностями) отрицательные углы грабли помогают инструменту «пересечь» эти недостатки без повреждений.

Недостатки и ограничения

Основным недостатком углов отрицательного грабежа являются значительно более высокие силы резки. Это приводит к более высокому энергопотреблению, большему отклонению машины и заготовки и увеличению выработки тепла. Если станку не хватает жесткости или установка слаба, результатом могут быть чрезмерная вибрация (шаттер), плохие допуски и снижение качества отделки поверхности. Отрицательное грабеж также имеет тенденцию создавать более грубую поверхность по сравнению с положительным грабежом, с потенциалом разрыва и нарастания края на более низких скоростях.

Кроме того, вставки с отрицательными граблями требуют более высокой толщины чипа для эффективного функционирования - они не подходят для очень легких отделочных разрезов или для материалов, которые являются высоко пластичными, потому что чип может не ломаться чисто и может вызвать засорение.

Типичные приложения для отрицательных граблевых углов

• Закаленные стали и нержавеющие стали (например, 4140 закаленные, 304 нержавеющие): Эти материалы работают закаленными и абразивными. Отрицательные грабли (от 5 ° до -10°) помогают дольше поддерживать острый край.
• Кастовое железо (серое, пластичное, податливое): Песчаная, абразивная природа литейных чешуек требует отрицательных граблей (от 5 ° до -8 °), чтобы избежать быстрого износа фланга.
• Сверхсплавы на основе титана и никеля (Inconel, Hastelloy): Эти огнеупорные металлы генерируют экстремальное тепло. Отрицательные грабли (от 5 до -12°) в сочетании с охлаждающей жидкостью высокого давления необходимы для предотвращения термического растрескивания и разрушения края.
• Тяжелые операции кашля: Когда требуются глубокие разрезы, отрицательные грабли обеспечивают необходимую прочность края, чтобы выдержать удаление большой секции чипа.

Материально-специфические рекомендации по выбору грабли

Хотя существуют общие рекомендации, оптимальный угол грабежа для данного материала также зависит от конкретного сплава, термообработки и состояния обработки. Следующий поломка обеспечивает отправные точки, которые могут быть точно настроены с опытом.

Неферропластовые материалы (алюминий, латунь, медь)

Рекомендация: Положительные углы грабежа между +10° и +20°. Алюминий и его сплавы мягкие и жвачные. Резкий, положительный грабеж предотвращает нарастание края и производит отличную отделку поверхности. Латунь и медь также извлекают выгоду из положительных граблей, чтобы избежать размазывания. При использовании карбидных вставок для алюминия некоторые производители предлагают полированные грабли для еще большего уменьшения трения. Для высокоскоростной обработки алюминия (более 10 000 SFM) смягченный нагрев край может потребовать слегка положительного грабежа (+5° до +8°) для предотвращения таяния края.

Низкоуглеродистые и мягкие стали (1018, A36, 1020)

Рекомендация: Нулевое и умеренное положительное рейки (0° до +8°) для отделки; отрицательное рейки (-5° до -7°) для шероховатости. Эти стали обрабатываемы, но могут разрываться, если используется слишком малая прочность края. Для легкой отделки небольшое положительное рейки улучшает поверхность. Для тяжелой шероховатости или при использовании высокоскоростной стали, отрицательное рейки предпочтительнее для продления срока службы инструмента. В токарных станках с ЧПУ с использованием вставок с карбидом с покрытием стандартные геометрии часто поставляются с слегка положительным рейком (+5° до +7°), но с укороченным краем, который добавляет прочность.

Сплав и инструментальные стали (4140, 4340, D2)

Рекомендация: Отрицательные углы грабли (-5° - -10°)] Эти материалы более твердые и более абразивные. Отрицательные грабли обеспечивают необходимую прочность кромки, чтобы противостоять защелкиванию. При затвердевании выше 40 HRC, отрицательные грабли становятся обязательными. Например, механическая обработка инструментальной стали D2 (60 HRC) с отрицательной граблей вставкой от -6° до -8° является обычным явлением. Некоторые керамические или CBN вставки имеют еще больше отрицательных граблей (от -10° до - 20°) для выдерживания экстремальных давлений.

Нержавеющие стали (304, 316, 17-4 PH)

Рекомендация: Отрицательные углы грабли (-5° -8°)] Нержавеющие стали быстро затвердевают, поэтому отрицательный грабеж помогает поддерживать закалку края и уменьшает закалку. Положительный грабеж может заставить край глазировать и способствовать застроенному краю. Ключ заключается в использовании геометрии, которая уравновешивает прочность с достаточно острым краем, чтобы его можно было чистить — часто достигается с помощью двойной отрицательной или отрицательно-положительной гибридной вставки.

Кастовый железо (серый, дуктиле, компактный графит)

Рекомендация: Отрицательные углы грабли (-5° - -10°)] Графит в чугуне создает прерывистую щепу, но абразивный песок и твердые пятна требуют прочного края. Для серого чугуна распространено -5°. Для пластичного железа (которое более жесткое), -8° - -10° предпочтительнее. Для высокоскоростной обработки CGI (компактное графитовое железо) необходимы отрицательные граблевые вставки со специализированными покрытиями.

Титан и высокотемпературные сплавы

Рекомендация: Отрицательные углы грабли (-7° -12°)] Эти материалы имеют низкую теплопроводность и высокую прочность при высоких температурах. Отрицательные грабли в сочетании с отточенным краем (EDM или лазер) и охлаждающей жидкостью высокого давления помогают управлять теплом и предотвращают тепловую усталость. Положительные грабли могут вызывать быстрое кратерирование и отказ края. Некоторые специализированные вставки имеют положительный грабеж, но с отрицательной землей (небольшой оболочкой) для получения преимуществ обоих.

Пластмассы и композиты

Рекомендация: Сильно положительные углы грабли (+15° до +25°). Пластмассы, такие как поликарбонат, акрил и нейлон, требуют острых краев бритвы, чтобы избежать плавления, сколов или деламинации. Положительные грабли минимизируют силы резки и генерацию тепла, позволяя чипам свободно течь. Для композитных материалов (углеродное волокно, стекловолокно) используются положительные углы грабли с алмазным покрытием или вставками PCD, чтобы избежать притупления края.

Факторы, помимо материала, которые влияют на выбор грабли

В то время как материал является основным фактором, несколько других факторов могут изменить оптимальный угол грабежа:

Машинная жёсткость и мощь

Положительные углы грабежа более простительны на старых или менее жестких машинах, поскольку они генерируют более низкие силы. Отрицательные углы грабежа, которые производят более высокие силы, требуют жестких машин с достаточной мощностью. Легкий токарный станок может бороться с отрицательной грабежной операцией на стали, тогда как сверхмощный ЧПУ может легко справиться с ней.

Сокращение скорости и скорости кормления

При более высоких скоростях резки повышенная температура может термически смягчить режущую кромку. Отрицательные углы грабежа помогают, обеспечивая больший тепловой поглотитель. И наоборот, при низких скоростях положительные углы грабежа снижают риск наращивания края. Скорость кормления взаимодействует с граблями: более высокие скорости подачи требуют более сильных кромок, поэтому для грубых кормов часто предпочтительны отрицательные грабли выше 0,015 дюйма за оборот.

Инструментальный материал

Карбидные вставки могут выдерживать более высокие отрицательные углы грабежа, потому что материал прочен при сжатии. Высокоскоростная сталь (HSS), будучи более пластичной, часто измельчается с положительными граблями для улучшения сдвига, но отрицательные грабли в HSS менее эффективны, потому что кромке не хватает прочности на сжатие. Керамика, PCBN и PCD требуют отрицательных граблей для предотвращения хрупкого перелома. Типичная вставка PCBN для закаленной стали имеет угол грабежа -15°.

Применение охлаждающего

При использовании охлаждающей жидкости для затопления отрицательные углы грабежа выигрывают от лучшего удаления тепла на интерфейсе микросхемы. Для сухой обработки или с минимальной смазкой количества (MQL) положительные углы грабежа могут уменьшить накопление температуры. В приложениях с высоким давлением для охлаждающей жидкости (выше 1000 фунтов на квадратный дюйм) предпочтительны отрицательные геометрии грабежа, поскольку струя охлаждающей жидкости может разбить чип и уменьшить длину контакта.

Чип прорывные требования

Контроль чипов является основным фактором. Отрицательные углы грабли, как правило, производят более толстые, "С"-образные чипы, которые легче ломаются при более высоких кормах. Положительные углы грабли производят длинные, струнные чипы в пластичных материалах, требующие выключателей чипов на вставке. Многие современные геометрии вставки разработаны с конкретными конструкциями чипбрейкеров, которые работают либо с положительными, либо с отрицательными углами грабли для улучшения управления чипом.

Практические советы для машинистов и инженеров

• Начните с рекомендаций производителя: Включить поставщиков, которые предоставляют подробные данные о резке для каждого сорта и геометрии. Используйте их в качестве базового уровня и настройте на основе ваших конкретных условий.
• Износ инструментов монитора: Износ фланга является нормальным, но чипирование указывает на то, что грабеж слишком положителен для материала или состояния. Износ кратера предполагает, что отрицательный грабеж слишком крут, вызывая высокие температуры.
• Используй подготовку правого края: Острый край не всегда лучший. Многие отрицательные грабли вставки имеют чамфер (T-land) или отточен для повышения прочности. Вставка грабли +5° с шамфером 0,003" может действовать ближе к отрицательному грабли с точки зрения прочности края.
• Рассматривайте полную геометрию: Угол грабли работает в сочетании с углом клиренса, углом свинца и радиусом носа. Увеличение радиуса носа может компенсировать преимущества силы положительного грабля, поэтому уравновешивайте все параметры.
• Испытание с небольшими приращениями: Изменение грабежа только на 2° до 3° в момент оптимизации. Изменение на 5° может резко изменить силы и жизнь инструмента.
• Использовать программное обеспечение для моделирования: Несколько CAM-программ и независимых инструментов (например, Third Wave Systems, AdvantEdge) могут моделировать влияние угла грабежа на силы, температуру и нагрузку инструмента перед резкой металла.

Заключение

Дискуссия между положительными и отрицательными углами грабежа не о том, чтобы быть универсально лучше; это о соответствии геометрии инструмента материалу и конкретным условиям резки. Положительные грабли светятся при резке мягких, пластичных материалов на легких машинах, обеспечивая превосходную отделку поверхности и более низкое энергопотребление. Отрицательные грабли необходимы для твердых, абразивных и жестких материалов, предлагая прочность края, необходимую для тяжелых разрезов и прерванной обработки.

Понимая механику, компромиссы и рекомендации по материалам, изложенные в этом руководстве, машинисты могут выбрать оптимальный угол грабежа для максимизации производительности, срока службы инструмента и качества детали. Как и во всех параметрах обработки, тестирование в реальном мире и тщательное наблюдение за формированием чипа и износом инструмента со временем улучшит выбор. Для дальнейшего чтения изучите технические ресурсы от ведущих производителей инструментов, таких как Sandvik Coromant , Kennametal и Seco Tools для углубленных тематических исследований и баз данных геометрии.