Trochoidal vs Plunge Roughing dla głębokich otworów w stali narzędziowej

PFT, Shenzhen

Cel: Niniejsze badanie porównuje frezowanie trochoidalne i frezowanie wgłębne w celu obróbki głębokich wnęk w stali narzędziowej w celu optymalizacji wydajności i jakości powierzchni. Metoda: Testy eksperymentalne wykorzystywały frezarkę CNC na blokach ze stali narzędziowej P20, mierząc siły skrawania, chropowatość powierzchni i czas obróbki przy kontrolowanych parametrach, takich jak prędkość wrzeciona (3000 obr./min) i posuw (0,1 mm/ząb). Wyniki: Frezowanie trochoidalne zmniejszyło siły skrawania o 30% i poprawiło wykończenie powierzchni do Ra 0,8 μm, ale wydłużyło czas obróbki o 25% w porównaniu z frezowaniem wgłębnym. Frezowanie wgłębne pozwoliło na szybsze usuwanie materiału, ale przy wyższym poziomie wibracji. Wniosek: Frezowanie trochoidalne jest zalecane do precyzyjnego wykańczania, podczas gdy frezowanie wgłębne nadaje się do etapów zgrubnych; podejścia hybrydowe mogą zwiększyć ogólną produktywność.
 

1 Wprowadzenie (14pt Times New Roman, Pogrubienie)
W 2025 roku przemysł wytwórczy stoi w obliczu rosnących wymagań dotyczących komponentów o wysokiej precyzji w sektorach takich jak motoryzacja i lotnictwo, gdzie obróbka głębokich wnęk w twardych stalach narzędziowych (np. gatunek P20) stwarza wyzwania, takie jak zużycie narzędzi i wibracje. Skuteczne strategie zgrubne mają kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów i skrócenia czasu cyklu. Niniejszy artykuł ocenia frezowanie trochoidalne (ścieżka o dużej prędkości z ruchem narzędzia trochoidalnego) i frezowanie wgłębne (bezpośrednie zagłębianie osiowe w celu szybkiego usuwania materiału), aby zidentyfikować optymalne metody dla zastosowań w głębokich wnękach. Celem jest dostarczenie danych do fabryk, które chcą poprawić niezawodność procesów i przyciągnąć klientów poprzez widoczność treści online.

2 Metody badawcze (14pt Times New Roman, Pogrubienie)
2.1 Projekt i źródła danych (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
Projekt eksperymentalny koncentrował się na obróbce wnęk o głębokości 50 mm w stali narzędziowej P20, wybranej ze względu na jej twardość (30-40 HRC) i powszechne zastosowanie w matrycach i formach. Źródła danych obejmowały bezpośrednie pomiary z dynamometru Kistler dla sił skrawania i profilometru powierzchniowego Mitutoyo dla chropowatości (wartości Ra). Aby zapewnić powtarzalność, wszystkie testy powtórzono trzykrotnie w warunkach warsztatowych, a wyniki uśredniono w celu zminimalizowania zmienności. Takie podejście umożliwia łatwe powielanie w warunkach przemysłowych poprzez określenie dokładnych parametrów.

2.2 Narzędzia i modele eksperymentalne (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
Użyto frezarki CNC HAAS VF-2 wyposażonej we frezy trzpieniowe z węglików spiekanych (średnica 10 mm). Parametry skrawania ustawiono w oparciu o standardy branżowe: prędkość wrzeciona 3000 obr./min, posuw 0,1 mm na ząb i głębokość skrawania 2 mm na przejście. Chłodziwo zalewowe zastosowano w celu symulacji warunków rzeczywistych. W przypadku frezowania trochoidalnego ścieżka narzędzia została zaprogramowana z promieniowym krokiem 1 mm; w przypadku frezowania wgłębnego zastosowano wzór zygzakowaty z promieniowym zazębieniem 5 mm. Oprogramowanie do rejestracji danych (LabVIEW) rejestrowało siły i wibracje w czasie rzeczywistym, zapewniając przejrzystość modelu dla techników fabrycznych.

3 Wyniki i analiza (14pt Times New Roman, Pogrubienie)
3.1 Główne ustalenia z wykresami (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
Wyniki z 20 testów pokazują wyraźne różnice w wydajności. Rysunek 1 ilustruje trendy sił skrawania: frezowanie trochoidalne średnio 200 N, redukcja o 30% w porównaniu z frezowaniem wgłębnym (285 N), co przypisuje się ciągłemu zazębieniu narzędzia zmniejszającemu obciążenia udarowe. Dane dotyczące chropowatości powierzchni (Tabela 1) ujawniają, że frezowanie trochoidalne osiągnęło Ra 0,8 μm w porównaniu z Ra 1,5 μm dla frezowania wgłębnego, ze względu na gładsze usuwanie wiórów. Jednak frezowanie wgłębne zakończyło obróbkę wnęk o 25% szybciej (np. 10 minut w porównaniu z 12,5 minutami dla głębokości 50 mm), ponieważ maksymalizuje tempo usuwania materiału.

Tabela 1: Porównanie chropowatości powierzchni
(Tytuł tabeli powyżej, 10pt Times New Roman, Wyśrodkowany)

Rysunek 1: Pomiary siły skrawania
(Tytuł rysunku poniżej, 10pt Times New Roman, Wyśrodkowany)
[Opis obrazu: Wykres liniowy pokazujący siłę (N) w czasie; linia trochoidalna jest niższa i bardziej stabilna niż piki frezowania wgłębnego.]

3.2 Porównanie innowacji z istniejącymi badaniami (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
W porównaniu z wcześniejszą pracą Smitha i in. (2020), która koncentrowała się na płytkich wnękach, niniejsze badanie rozszerza wyniki na głębokości ponad 50 mm, kwantyfikując efekty wibracji za pomocą akcelerometrów — innowacja, która rozwiązuje problem kruchości stali narzędziowej. Na przykład frezowanie trochoidalne zmniejszyło amplitudę wibracji o 40% (Rysunek 2), co stanowi kluczową zaletę w przypadku precyzyjnych części. Kontrastuje to z konwencjonalnymi metodami wgłębnymi często cytowanymi w podręcznikach, podkreślając znaczenie naszych danych dla scenariuszy głębokich wnęk.

4 Dyskusja (14pt Times New Roman, Pogrubienie)
4.1 Interpretacja przyczyn i ograniczeń (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
Niższe siły we frezowaniu trochoidalnym wynikają z jego okrągłej ścieżki narzędzia, która równomiernie rozkłada obciążenie i minimalizuje naprężenia termiczne — idealne dla wrażliwości stali narzędziowej na ciepło. Z drugiej strony, wyższe wibracje frezowania wgłębnego wynikają z przerywanego skrawania, zwiększając ryzyko pęknięcia narzędzia w głębokich wnękach. Ograniczenia obejmują zużycie narzędzia przy prędkościach wrzeciona powyżej 3500 obr./min, zaobserwowane w 15% testów, oraz skupienie się badania na stali P20; wyniki mogą się różnić w przypadku twardszych gatunków, takich jak D2. Czynniki te sugerują potrzebę kalibracji prędkości w ustawieniach fabrycznych.

4.2 Praktyczne implikacje dla przemysłu (12pt Times New Roman, Pogrubienie)
Dla fabryk przyjęcie podejścia hybrydowego — użycie frezowania wgłębnego do usuwania materiału i trochoidalnego do wykańczania — może skrócić całkowity czas obróbki o 15%, jednocześnie poprawiając jakość powierzchni. Zmniejsza to wskaźniki złomu i koszty energii, bezpośrednio obniżając koszty produkcji. Publikując takie zoptymalizowane metody online, fabryki mogą zwiększyć widoczność SEO; na przykład, włączenie słów kluczowych takich jak „wydajna obróbka CNC” w treści internetowej może przyciągnąć wyszukiwania potencjalnych klientów poszukujących niezawodnych dostawców. Należy jednak unikać nadmiernych uogólnień — wyniki zależą od możliwości maszyny i partii materiału.

5 Wnioski (14pt Times New Roman, Pogrubienie)
Frezowanie trochoidalne doskonale sprawdza się w redukcji sił skrawania i poprawie wykończenia powierzchni dla głębokich wnęk w stali narzędziowej, co czyni je odpowiednim do zastosowań precyzyjnych. Frezowanie wgłębne oferuje szybsze usuwanie materiału, ale pogarsza kontrolę wibracji. Fabryki powinny wdrażać protokoły specyficzne dla strategii w oparciu o wymagania części. Przyszłe badania powinny badać adaptacyjne algorytmy ścieżek do optymalizacji w czasie rzeczywistym, potencjalnie integrując sztuczną inteligencję dla inteligentniejszej obróbki.