Using the spindle torque and power curve to choose cutting parameters

PREREQUISITES

  • Basic knowledge of CNC
  • Basic knowledge of milling processes
  • Basic knowledge of CAD/CAM software

OBJECTIVES

  • Choose the appropriate tool diameter and rotational speed for the machining considering the torque and power that can be delivered by the spindle
  • Perform useful calculations to define the cutting parameters as a function of the chosen position in the spindle characteristic curve

ADVANCE QUESTIONS

  1. Do you know that the machine may fail if you don't choose the cutting parameters correctly considering the torque and power that can be delivered by the spindle?

  2. Do you know that it is not enough that the tool holder on the machine can fit a certain tool diameter to be sure that the machine will be able to withstand the torques and powers that are generated in machining?

  3. Did you know that machining centers are specially designed to work under specific conditions? In other words, a machine suitable for precision machining is not suitable for standard machining

  4. Do you know how to calculate the forces, torques and powers generated in machining? It is useful for choosing tools!

Choice of cutting speeds

Rappresentazione delle velocità caratteristiche di un processo di fresatura.

Interfaccia di CoroPlus Tool Guide, software online per la scelta dei parametri di taglio (Sandvik Coromat).

SELECTION OF TOOL DIAMETER

Esempio di tasche con spigoli raccordati a 1.5 mm.

Possible tool diameters:

    • Dc1 = 2 mm
    • Dc2 = 2.8 mm
    • Dc3 = 4 mm

La terza fresa è chiaramente non adatta, ma potremmo sceglierne una delle altre due. Dc dipende dalla geometria da realizzare. In generale, è meglio usare utensili relativamente grandi in quanto sono più rigidi, ma i raccordi nel pezzo limitano il raggio utensile (v. “Come selezionare un utensile usando un catalogo online”).

USE OF SPINDLE TORQUE AND POWER DIAGRAM FOR PARAMETER SELECTION

Centro di lavoro Kern Evo.

This diagram is the characteristic curve of the spindle, which has a fundamental importance for choosing the tool and process parameters. The first thing to note is that the torque and power performance stated in the machine datasheet refers to a certain RPM range.

In fact, it can be seen that maximum power is provided only above 40,000 rpm.

This means that the machine spindle is suitable for fast turning.

INTERAZIONE TRA DIAMETRO DELL'UTENSILE E VELOCITÀ DI TAGLIO

v_c=\frac{\pi \cdot D_\mathrm{c} \cdot n}{1000}

Variazione del punto di utilizzo della macchina in funzione del diametro di taglio.

Il diametro utensile è vincolato dalla geometria del pezzo (i raggi di raccordo delle tasche fissano un limite superiore per Dc), ma anche dal diagramma di coppia e di potenza del mandrino in quanto è meglio massimizzare la coppia e la potenza disponibili per usarle per aumentare la produttività. In altre parole, il diagramma di coppia e potenza del mandrino fissa un limite superiore per Dc.

FEED RATE AND MATERIAL REMOVAL RATE (MICRO MILLING)

Now let us consider the forward velocity equation vf:

v_\mathrm{f} = n\cdot f_\mathrm{z}\cdot Z

Z vale tipicamente 2 in microfresatura e tende ad essere elevato per sfruttare meglio il mandrino, inoltre fz non può essere troppo piccolo per evitare il ricalcamento (minimum chip thickness effect).

Profondità di passate assiale ap, radiale ae e velocità di avanzamento vf.

La velocità di avanzamento aumenta: questo significa che vf tende ad essere elevato in microfresatura. Per questa ragione, i centri di microfresatura devono avere una buona performance in termini di massima velocità di avanzamento.

MRR = v_\mathrm{f}\cdot a_\mathrm{p} \cdot a_\mathrm{e}

Il Material Removal Rate (MRR) è limitato da ap e ae che sono piccoli in quanto legati alle dimensioni dell’utensile.
Per massimizzare l’MRR, abbiamo già vf, ma anche la profondità di taglio deve essere considerata. ae è limitata per preservare l’integrità dell’utensile (v. “Selezione dei parametri di taglio nelle aree critiche del percorso utensile (raccordi)“). ap invece può essere aumentata secondo le indicazioni dell’utensiliere e le nuove strategie di fresatura trocoidali (bassa ae e alta ap), che sono state inventate per la fresatura ad alta velocità e la microfresatura.

STANDARD MILLING

In standard milling, Z can be increased to improve productivity, but the tool diameter is larger and n tends to be reduced to achieve the required cutting speed. The spindle diagram must be suitable for this situation (spindles from micro-milling and high-speed milling centers are not). The MRR is supported by ap and ae which are larger due to the larger size of the cutter.

Diagramma caratteristico dell’Okuma Genos M460V.

In questo nugget, consideriamo quello che accade nelle traiettorie rettilinee. Considereremo quanto accade nelle curve nel prossimo nugget. ae gioca un ruolo sullo spessore massimo del truciolo hex tramite l’angolo di impegno della fresa. hex può essere usato per calcolare la forza di taglio massima secondo il metodo della pressione di taglio. L’angolo di spoglia frontale (ɣ0) gioca un ruolo importante nella pressione di taglio.

Come noto, quando ɣ0 aumenta, l’azione di taglio richiede una forza minore. In qualche caso, un valore rappresentativo medio della forza di taglio deve essere calcolato per un certo angolo di impegno della fresa. Lo spessore di truciolo medio hm può essere calcolato come indicato di seguito. hm può essere usato per calcolare la corrispondente pressione di taglio e forza di taglio.

Scheme for calculating the average and maximum chip thickness.

Tool engagement angle:

cos(\varphi) = \frac{\frac{D_\mathrm{{c}}}{2}-a_\mathrm{e}}{\frac{D_\mathrm{{c}}}{2} } = \frac{D_\mathrm{{c}}-2a_\mathrm{e}}{D_\mathrm{{c}}} = 1 – \frac{2a_\mathrm{e}}{D_\mathrm{c}}

Approach to maximum chip thickness:

h_\mathrm{{ex}} = f_z sin(\varphi)
k_\mathrm{{c,ex}} = k_\mathrm{{c1}}h_\mathrm{{ex}}^{-x}(1-\frac{\gamma_0}{100})
F_\mathrm{{c,ex}} = k_\mathrm{{c,ex}}A_\mathrm{D} = k_\mathrm{{c,ex}}h_\mathrm{{ex}}a_\mathrm{p}

Approach to average chip thickness:

h_\mathrm{m}=\frac{2f_\mathrm{z}a_\mathrm{e}}{\varphi D_\mathrm{{c}}}

k_\mathrm{{c,m}} = k_\mathrm{{c1}}h_\mathrm{{m}}^{-x}(1-\frac{\gamma_0}{100})

F_\mathrm{{c,m}} = k_\mathrm{{c,m}}A_\mathrm{D} = k_\mathrm{{c,m}}h_\mathrm{m}a_\mathrm{p}

kc1: Reference cutting pressure (N/mm2)

x: Tool material coefficient (e.g. x = 0,25)

kre = 90° (flat-end mill)

Notes:

    • Esprimere ɣ0 in valori decimali nella formula di kc,ex
    • In generale usiamo lo spessore medio di truciolo per calcolare la forza valido anche per valori di φ > 90°, anche se in quel caso sottostimerebbe il valore dello spessore massimo del truciolo. Nel nostro caso, abbiamo φ < 90°, così possiamo usare hex espresso dalla formula indicata per essere conservativi. In questo modo, possiamo calcolare lo spessore massimo di truciolo e la forza massima.

CUTTING TORQUE, POWER AND TOOL DEFLECTION

Considerando che solo un tagliente è impegnato alla volta, possiamo usare semplici formule per calcolare la coppia e la potenza di taglio. Come fatto precedentemente, ci riferiamo allo spessore di truciolo medio e allo spessore di truciolo massimo hm e hex.

M_\mathrm{{c,m}} = F_\mathrm{{c,m}}\frac{D_\mathrm{c}}{2}

M_\mathrm{{c,ex}} = F_\mathrm{{c,ex}}\frac{D_\mathrm{c}}{2}

P_\mathrm{c} = F_\mathrm{c}v_\mathrm{c}*

Momento di inerzia di una sezione circolare (modelliamo la fresa come un cilindro; in questo modo sovrastimiamo J):

J = \frac{\pi D_\mathrm{c}^4}{64}

The tool deflection which is expressed in the following equation plays a role in the accuracy of the part.

d = \frac{F_\mathrm{c}L^3}{3EJ}**

*Valid formula for an engaged cutting edge

**L is the cantilever length (we consider the cutter as a fixed beam)

Schema delle grandezze caratteristiche di una fresa: diametro di taglio Dc, lunghezza a sbalzo L, angolo d’elica ɣp, angolo di spoglia frontale ɣ0 e raggio di punta dello spigolo re.

La forza di taglio Fc può essere usata per calcolare la deflessione utensile in funzione del diametro dell’utensile e della lunghezza a sbalzo. Come atteso, la lunghezza a sbalzo deve essere mantenuta più piccola possibile per ridurre la deflessione utensile e il conseguente errore sul pezzo.

You have acquired the following skills:

  • Choose the cutting parameters taking into account the torque and power curve of the machine spindle.

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