Высокоскоростная обработка металлов резанием

Обновлено: 21.09.2024

Высокоскоростное резание металлов - это один из рациональных подходов к фрезерованию материала на станках с чпу. Это важно в металлообрабатывающей отрасли, где достижение высокой производительности обработки материалов со строгим соблюдением уровня качества продукции является основным требованием.

Особенно актуальным является совершенствование высокоскоростного резания при обработке деталей сложной формы малых и больших габаритов. Исследования в области высокоскоростного резания показали ряд его преимуществ по сравнению с традиционной обработкой. Соломон в 1931 году доказал, что зависимость температуры от скорости обработки практически для всех материалов имеет экстремальный характер. Повышение скорости резания выше экстремума приводит к падению температуры.

При высокой скорости вращения жесткая технологическая система переходит в разряд упругодеформируемой, упругие и диссипативные характеристики которой накладывают существенные ограничения на её режимы работы. Поэтому, для реализации заданных режимов высокоскоростного резания металлов необходимо установить допустимые характеристики технологической системы, либо при её известных характеристиках назначить разрешенные режимы обработки. В первом случае решается задача синтеза, а во втором - анализа динамики технологической системы. Вопросы анализа и синтеза машин и механизмов различного назначения, в том числе технологических машин, широко освещены в научно-технической литературе. Однако в большинстве исследований авторы рассматривают отдельно механическую систему или только кинематику и динамику процесса резания.

Отличительной особенностью технологической системы при высокоскоростного резания является тесная взаимосвязь процесса резания с динамикой системы, качеством и производительностью обработки. Для практической реализации ВСО необходимо выбрать допустимые режимы резания, установить значения вибродиагностических параметров технологической системы для управления качеством обрабатываемой детали и техническим состоянием самой системы. Установлено, что высокоскоростная обработка металлов резанием для конкретной технологической системы осуществима в очень узком диапазоне скоростей, подач и глубин обработки, который характеризуется низкими уровнями её вибраций.

Обычно технологическую систему подразделяют на четыре подсистемы (рис. 1), каждая из которых включает ряд структурных единиц (СЕ). На основании расчётных и экспериментальных данных определены основные требования для подсистем и их структурных единиц, предназначенных для высокоскоростного фрезерования.

Рис. 1. Технологическая система состоящая из 4 подсистем

Заготовки для высокоскоростного фрезерования должны соответствовать повышенному классу точности, так как в противном случае дефекты её поверхности могут привести к высоким и неравномерным нагрузкам на подсистему шпинделя, что вызовет повышенные вибрации всей системы. У заготовок не отвечающих этим требованиям необходимо снять поверхностный слой, предварительно её обработав. Предельные отклонения от плоскостности и прямолинейности заготовки не должны превышать 12 класса точности.

В технических характеристиках инструментов предлагаемых для высокоскоростного резания указываются рекомендуемые параметры фрезерования типовых материалов и точность их изготовления. Эти параметры обеспечивают только необходимые, но недостаточные условия применения данного инструмента в конкретной технологической системе. Такой инструмент должен иметь:

допуск на диаметр - 7 квалитет по ИСО;
радиальное биение зубьев - не более 4 степени точности;
дисбаланс - 4 или 5-й класс точности по ГОСТ 22061 (зависит от соотношения масс инструмента и ротора шпинделя);
максимальное число оборотов соответствующее частоте вращения шпинделя.

Основные требования, предъявляемые к вспомогательному инструменту для закрепления фрез (оправки, патроны), это - 3-й класс точности балансировки в сборе, точность соединения шпиндель-оправка АТЗ, а отклонения формы и расположения посадочной поверхности по 2-й и 3-ей степеням точности. Погрешность базирования оправки в шпинделе необходимо оценивать с помощью контрольной оправки (эталона инструмента), радиальное биение которой не должно превышать 3 мкм на длине равной четырем диаметрам при нескольких установок её в шпинделе. От данного требования зависит стойкость инструмента, которая убывает по гиперболе е с ростом биения инструмента. Так, например, стойкость инструмента при биении 12 мкм составляет 30% от его стойкости при биении 3 мкм.

Высокоскоростные станки с ЧПУ

Высокоскоростные фрезерные центры оснащены электро шпинделями с частотами вращения 8000-24000 мин-1 с тенденцией роста до 40000 мин-1 и более. На этих оборотах роторная система «якорь-оправка-инструмент» (рис. 2) становится упругодеформируемой, а уровень вибраций зависит от динамической жесткости роторного узла и дисбалансов структурных единиц. Сама жесткость зависит как от конструкторско технологических параметров шпинделя, так и от условий закрепления в нём оправки с инструментом, существенно влияющих на значения резонансных частот при которых не допустима эксплуатация станка, что ограничивает разрешенный диапазон частот вращения шпинделя. Так, например, для электрошпинделя с рабочим диапазоном частот вращения от 12000 до 24000 мин-1, были вычислены возможные собственные частоты колебаний: вала (СЕ1) . 44000 мин-1; механизма натяжения (СЕ4) . 24000 или 16000 или 10000 мин-1 в зависимости от усилия зажима штревеля оправки в соединениях М2 и М3 (жёсткое, шарнирное или свободное закрепление); опор (СЕ2. СЕЗ) … 15100 и 23700 мин-1.

Из этих расчётов следует, что с 10% запасом устойчивости, эксплуатация шпинделя возможна в двух диапазонах оборотов: от 12000 до 13200 мин-1 и от 18000 до 21300 мин-1.

Экспериментальные исследования этого шпинделя на холостом ходу с контрольной оправкой и рабочей фрезой подтвердили наличие резонанса в рабочем диапазоне оборотов шпинделя. Для выбора режимов высокоскоростного резания металлов на станках с чпу обработки непременным условием является установление всех динамических характеристик шпинделя и станка, которые должен представить изготовитель или их следует определить на месте установки станка.

Рис. 2. Схема роторной системы высокоскоростного электрошпинделя станка с чпу

Вибрации высокооборотных шпинделей при холостом ходе определяются остаточными дисбалансами их роторов, а при эксплуатации - технологическими дисбалансами оправки с инструментом и переменными нагрузками от реакций сил резания. Роторы шпинделей станков балансируют как отдельные детали в собственных подшипниках, что может соответствовать 2-му классу точности по ГОСТ 22061 (ИСО 1940). Допустимость такой балансировки оценивается уровнем вибраций корпуса шпинделя в рабочем диапазоне оборотов. Согласно пределам оценки колебательных свойств амплитуда виброскорости электрошпинделя должна лежать в пределах 0.7-1.1 мм/с. В противном случае шпиндель следует балансировать в собственном корпусе с соблюдением условий эксплуатации, т.е. по 1-му классу. Также не допускается эксплуатация шпинделя при вибрациях выше 4.5 -7.0 мм/с.

В процессе обработки материала к ротору приложены неуравновешенные силы от дисбалансов, реакция силы резания и сила натяжения. Неуравновешенная сила от дисбалансов пропорциональна квадрату угловой скорости вращения шпинделя и коэффициенту динамичности вала, причем она меняется при каждой смене инструмента из-за погрешностей базирования фрезы, оправки и штока. Сила натяжения, из-за зазора в направляющих штока (тяги), приложена эксцентрично. Возникает её радиальная составляющая и она действует как неуравновешенная сила. Значение этой силы не зависит от оборотов шпинделя, а зависит от точности штревеля и величины зазора в направляющих тяги. Радиальная составляющая реакции сил резания приложена к режущей кромке фрезы, находящейся в контакте с заготовкой в течении части периода вращения ротора шпинделя и действует на ротор как неуравновешенная сила. При входе в контакт с заготовкой следующей режущей кромки, меняется направление действия неуравновешенной силы и т.д. Следовательно, сила резания выступает как периодическая сила и создает полигармонические вибрации. Зависимость значения радиальной составляющей силы резания, оцениваемое по вибрациям шпинделя, от параметров обработки имеет различный характер.

Экспериментальные данные, полученные при высокоскоростном резании алюминиевого сплава двух, трёх и четырёх зубыми фрезами из инструментальной быстрорежущей стали, показывают характер зависимостей вибраций шпинделя от параметров резания:

Резонансный - от скорости резания.
Экспоненциальный - от минутной подачи.
Монотонно возрастаюший - от производительности.

С ростом вибраций шпинделя качество фрезерования снижается - увеличивается протяжённость следов обработки. Из результатов испытаний найдены оптимальные режимы высокоскоростного резания металлов для данной технологической системы:

черновая обработка с шероховатостью поверхности по 4 классу должна выполняться при скорости - 750 м/мин (12000 мин-1), минутной подаче - 4800 мм/мин, производительности - 430 см куб/мин;
получистовая обработка с шероховатостью поверхности по 6 классу должна выполняться при скорости - 850 м/мин (15000 мин-1), минутной подаче - 6000 мм/мин, производительности - 110 см. куб/мин.

Каждая технологическая система будет иметь свои оптимальные режимы резания. При их выборе необходимо соблюдать следующие правила:

Балансировать все элементы роторной подсистемы не хуже, чем по 3-ему классу;
Измерять виброскорость шпинделя перед и в процессе резания;
Не допускать к эксплуатации шпиндель с вибрациями более 1.1 мм/с и биением оправки более 5 мкм;
Прекращать обработку при росте вибраций шпинделя более 4.5 мм/с.

Сравнение высокоскоростная обработки с обычной

По сравнению с традиционной обработкой высокоскоростное фрезерование на станке с чпу обеспечивает:

Высокоскоростная обработка резанием

В зависимости от режимов резания различают три разновидности обработки: обычная, высокоэффективная и высокоскоростная. Частоты вращения шпинделя составляют: при обычном резании — 30…2000 мин -1 , высокоэффективном — 1000…12000 мин -1 , высокоскоростном — 3000…40000 мин-1. Скорости съема материала соответственно составляют: 1–20 см 3 /мин для обычной обработки , 1–150 см 3 /мин для высокоэффективной и 1–60 см 3 /мин для высокоскоростной обработки. Отличительной особенностью высокоскоростной обработки является малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью, и большая минутная подача.

Отработка режимов резания при высокоскоростной обработке привела к появлению разновидности этого вида обработки, которая называется высокоэффективной/высокопроизводительной. Высокоэффективная обработка отличается от высокоскоростной, уменьшенной в 2 раза частотой вращения шпинделя (скорости резания) и увеличенными в 3,5 раза, объемами снимаемого при резании материала.

В зависимости от скорости резания изменяется характер распределения температуры. При обычной обработке с возрастанием скорости резания повышается температура обрабатываемой заготовки, снимаемой стружки и инструмента. При резком увеличении скорости например в 5-10 раз, температура заготовки и инструмента изменяются незначительно, а стружки значительно возрастает . Например, при скорости 100 м/мин температура удаляемой стружки не превышает 450

°С, то при достижении скорости 1200 м/мин температура может приблизится к 1500 °С. Причина заключается в том, что скорость резания превышает скорость теплопроводности обрабатываемого материала. Основная доля тепла отводится стружкой, а в материал заготовки и инструмента тепло не успевает поступать.

Высокоскоростная обработка отличается следующими достоинствами:высокое качество обработанной поверхности (низкая шероховатость, уменьшенные остаточные напряжения);

снижения сил резания, способствующие повышению точности обработки;
снижение возможности возникновения вибраций;
возможность обработки тонкостенных деталей;
хорошее стружкоотделение;
повышение стойкости инструмента.

1. Инструментальные материалы для высокоскоростной обработки

В процессе резания рабочие поверхности инструментов подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных давлений и температур, а взаимодействие с обрабатываемым материалом приводит к интенсификации процессов адгезии, диффузии, окисления, вызывающих быстрый износ режущего инструмента. Силовые нагрузки приводят к поломкам и выкрашиванию режущей части инструмента.

Для снижения изнашивания и предотвращения разрушения материал инструмента должен отличатся высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью, прочностью.

Основой инструментальной базы высокоскоростного резания являются твердые и сверхтвердые материалы.

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструкционной стали. Выпускаются также инструменты, рабочая часть которых целиком выполнена из твердого сплава (монолитные).

Применяемые твердые сплавы делятся:

на вольфрамовые сплавы группы ВК (ВК3,ВК4,ВК6,ВК8 и др). В условном обозначении цифра показывает условное содержание кобальта;
титановольфрамовые сплавы группы ТК (Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 и др.). В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание титана, после буквы К — кобальта, остальное карбиды вольфрама;
титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и др.). В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К — кобальта, остальное – карбиды вольфрама.

В области разработки новых и совершенствования существующих марок твердых сплавов активно ведутся работы, связанные с созданием ультра- и особомелкозернистых сплавов, имеющих размер зерен в пределах 1,5 …3,5 мкм.

Разработка новых ультра- и особомелкозернистых твердых сплавов направлена на решение ряда современных технологических задач – экологически чистого высокоскоростного резания без

применения смазывающе-охлаждающих технологических сред, обработки труднообрабатываемых материалов, изготовления цельных твердосплавных особо сложных инструментов.

Прямым результатом уменьшения размеров зерен является улучшение физико-механических свойств твердого сплава, в первую очередь, твердости и износостойкости при обеспечении достаточно высокой вязкости. Сплавы с такой структурой обладают повышенной сопротивляемостью хрупкому разрушению, что исключительно важно при использовании операций прерывистого резания.

Снижение размеров зерен обеспечивает возможность получения более острой режущей кромки инструмента, с уменьшенным радиусом закругления. В результате снижаются силы резания и температура в зоне резания.

Для повышения работоспособности твердосплавных инструментов используют износостойкие покрытия, которые позволяют повысить скорости резания на 20…40 % при той же стойкости или увеличить в 1,8…5 стойкость инструментов при той же скорости, что и у инструментов без покрытия.

Наносимые на инструменты покрытия представляют собой нитриды, карбиды, карбонитриды, оксиды металлов- Al₂O₃, TiN, TiC, TiCN, TiAlN и др.

Помимо однослойных покрытий TiN, TiC или TiCN широко используются многослойные покрытия. Типичным представителем таких покрытий является покрытие TiN-TiCN-Al₂O₃ . Наружный слой из Al₂O₃ служит термоизолирующим барьером и снижает окисление инструментального материала при повышенных температурах резания. Нитрид титана TiN обладает кристаллохимической совместимостью с твердосплавной подложкой, а карбонитрид титана TiCN повышает прочность адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем.

Применяются следующие разновидности многослойных покрытий, созданные путем комбинации различных одиночных слоев:

многослойные со слоями различного функционального назначения с толщиной отдельных слоев 0,5…10 мкм;
многослойные наноструктурированные с толщиной отдельных слоев от нескольких до 100 нм.

Сверхтвердые инструментальные материалы представляют собой синтетические или природные алмазы и композиты преимущественно на основе нитрида бора. Алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокие твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4-5 раз тверже твердых сплавов. Вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят тепло из зоны резания. Это гарантирует получение деталей без прижогов поверхности. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения. Кроме того, при повышенной температуре алмаз вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Материалы на основе нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийной обработки: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь — в 2,3 раза, твердый сплав – в 1,7.

Эти материалы изотропны, обладают близкой к алмазам микротвердостью, высокой теплопроводимостью, химической инертностью по отношению к железу.

Преимущество материалов на основе нитрида бора перед твердыми сплавами особенно заметно при сопоставлении при торцевом фрезеровании: скорость резания закаленной стали выше в 5 раз, чугунов — в 10-20 раз (в зависимости от твердости). Инструменты на основе нитрида бора позволяют в 3…6 раз повысить скорость резания по сравнению с твердосплавными.

2. Особенности станков для высокоскоростной обработки

Специфические изменения станков для высокоскоростной обработки касаются шпиндельных узлов, приводов подач, системы удаления стружки.

Высокоскоростной шпиндельный узел – это основной компонент станка для высокоскоростной обработки. От его конструктивного решения зависит не только долговременная стабильность в работе станка, но и качественные характеристики выполняемых работ. Высокоскоростной шпиндель – это компромисс между частотой вращения и мощностью привода.

Так, при частоте вращения 15000 мощность привода составляет 45 квт, а при частоте 40000 понижается до 12 квт. Это означает, что на высокоскоростном оборудовании с повышением максимальных частот вращения необходимо переходить от силовых режимов обработки к более щадящим скоростным режимам резания, т. е скоростные станки более целесообразно использовать для чистовой обработки.

В настоящее время находят применение комбинированные шпиндельные узлы, в корпусе которых размещены два привода. Такая конструкция позволяет работать шпиндельному узлу в черновом режиме резания с частотой до 10000 с обеспечением большого крутящего момента или в чистовом режиме с частотой до 30000 за счет второго высокоскоростного привода.

Приводы подач станков для высокоскоростной обработки обычно сопровождаются большими значениями подач. При изготовлении пресс-форм, штампов и других габаритных деталей станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя не менее 15000 , с величиной подачи как минимум 3000 мм/мин, отрабатывая при этом малые перемещения от 2 до 20 мкм. Наряду с такими высокими значениями подач необходимо, чтобы имелась возможность быстрого ускорения и замедления.

Система удаления стружки в станке для высокоскоростной обработки имеет особое значение. Образование стружки при высокоскоростной обработке осуществляется значительно интенсивнее, чем при обычной обработке. Поскольку тепло концентрируется преимущественно в стружке, то ее необходимо быстро удалять из зоны резания. В процессе удаления в зону резания подается смазывающе- охлаждающая жидкость, которая оказывает на инструмент циклическое термическое воздействие. Поэтому в ряде случаев вместо смазывающе- охлаждающей жидкости целесообразно использовать струю воздуха.

Высокоскоростная обработка

Промышленность ведущих стран мира достаточно широко использует высокоскоростную обработку (ВСО) при обработке:

пресс-форм и штампов;
изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов;
деталей из композиционных материалов;
изделий из закаленных сталей;
деталей из сплавов на основе никеля и др.

Скорости резания, освоенные в настоящее время, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики высокоскоростного резания

Например, при фрезеровании высокопрочных алюминиевых сплавов используются следующие диапазоны скоростей:

быстрорежущие стали — 160–180 м/мин;
твердые сплавы — 500–3000 м/мин;
ПКА — 2500–10 000 м/мин.

Эффект от высокоскоростной обработки объясняется следующим.

При высокой скорости резания значительно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали разупрочняется, следовательно, силы резания уменьшаются, это позволяет увеличить рабочую подачу. Дополнительно необходимо отметить, что при повышении температуры до определенных пределов прочность и ударная вязкость твердых сплавов увеличиваются.
При ВСО пластические деформации протекают с большой скоростью в плоскости сдвига. При повышении скорости деформаций силы резания при достижении определенной температуры в зоне образования стружки, вдруг начинают существенно снижаться.
Время контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой так мало, а скорость отрыва стружки столь высока, что большая часть тепла, образующегося в зоне резания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка и инструмент просто не успевают нагреваться, как при тонком точении стали ХВГ (HRC 58–62) инструментом из КНБ просто сгорает (имеет вид папиросной бумаги и рассыпается в руках).
При формировании стружки 80% тепла образуется в зоне механической деформации материала, 18% — в зоне контакта стружка-инструмент и 2% — в зоне трения режущей кромки инструмента с обрабатываемым материалом.

Несколько обособлены вопросы выбора оборудования для ВСО. Эти вопросы чисто технологические и зависят от:

обрабатываемых материалов, их термического состояния;
номенклатуры деталей, подлежащих обработке на станке;
видов заготовок;
коэффициентов использования материала;
диаметров применяемых фрез или заготовок и т. д.

Обрабатываемый материал, его состояние определяют диапазон скоростей резания, вид заготовки и коэффициент использования материала — мощность и режим работы привода (ПВ100, ПВ60), диапазон диаметров — частоты вращения шпинделя и т. д. Например, фрезерные станки типоразмера Gantri при частоте вращения шпинделя 32 000 мин –1 могут иметь крутящий момент 64 и 10 000 Н·м при мощности привода главного движения соответственно 26 и 150 кВт. Привода подач обеспечивают скорость перемещений по координатам до 20–60 м/мин. Станок с приводом 26 кВт и моментом 64 Н·м обеспечит высокопроизводительную обработку обнижений на обшивках взамен химического фрезерования. Обработку монолитных панелей на нем придется выполнять растровым методом фрезами небольших диаметров, что приведет к росту трудоемкости даже по сравнению с оборудованием с механическими приводами главного движения.

Для панелей из плит применение станка с приводом 150 кВт и моментом 10 000 Н·м обеспечит высокопроизводительную обработку фрезами любых диаметров. Современные системы программного управления обеспечивают работу оборудования с большими скоростями подач, но стратегия обработки конструктивных элементов деталей должна быть привязана к отраслям, а не копировать подходы формообразования поверхностей растровым методом. Применение растровой обработки дает высокие результаты при обработке штамповой оснастки, вентиляторных колес, импеллеров, гребных винтов и т. д. Он совершенно непригоден для панелей, балок, шпангоутов и т. д. Например, схема трохоидной обработки пазов: одна сторона паза обрабатывается по схеме попутного фрезерования, а другая — встречного, это недопустимо для высокопрочных алюминиевых сплавов, но приемлемо для сталей.

Высокоскоростная обработка металлов резанием

Умный браслет
iwown i5+

ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ОБРАБОТКА

Одним из современных и важных направлений в машиностроении является осуществление высокоскоростной обработки (ВСО) - Hight speed cutting (HSС). В последнее время интерес предприятий к данной обработке стремительно увеличивается. Внедрение ВСО становится ключевым фактором в достижении успеха. Основная выгода обеспечивается тем, что высокие режимы резания ВСО сокращают время резания и стоимость конечного изделия. Время производственного цикла сокращается на 50% и более. С помощью ВСО достигается максимальная производительность. Кроме того, в некоторых случаях использование ВСО является единственным возможным способом обработки деталей.

Раньше данную обработку сдерживали: режущий инструмент, оборудование, системы ЧПУ. На сегодняшний день эти проблемы вполне решены, и поэтому ВСО быстро развивается и уже довольно широко применяется.

Принцип ВСО

Основным принципом ВСО является: малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания и высокой минутной подачей. Скорость резания и подача в 5-10 раз выше, чем при обычной обработке. Рекомендуемая глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы.

При ВСО, кроме снижения величины крутящего момента в зоне высоких скоростей, наиболее важным фактором является перераспределение тепла в зоне резания. В данной обработке скорость подачи превышает скорость теплопроводности обрабатываемого материала, поэтому основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку и инструмент. Таким образом, с помощью ВСО можно фрезеровать закаленные стали, не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Исследования показали, что 75% тепла отводится со стружкой, 20% - через инструмент и 5% - через обрабатываемую деталь. Ввиду этого ВСО базируется на сокращении тепла, которое обычно и является причиной износа инструмента.

ВСО не всегда уменьшает машинное время за счет высоких режимов резания, это не основное ее предназначение. В чем же смысл данной обработки? Основной эффект ВСО заключается в следующем:

Повышение качества обработки;
Возможность обработки материалов, чувствительных к перегреву;
Эффективное использование станков с ЧПУ;
Переход от электроэрозионной обработки и шлифования к лезвийной обработке.
Сокращение и упрощение технологических процессов, в которых исключается эрозионная обработка и ручная доводка.

Применение ВСО

ВСО применяется там, где необходимо быстро снять металл, а также при обработке сложных деталей:

Обработка длинных тонкостенных алюминиевых деталей (например, деталей крыла и фюзеляжа самолетов). К данным деталям обычно предъявляются высокие требования по качеству обработки. Учитывая большие объемы срезаемого металла, высокое качество данных деталей возможно добиться только путем применения ВСО (скорость резания 1500…3000 м/мин, обороты шпинделя 15000…50000 об/мин, а также высокие подачи). Так как благодаря небольшим сечениям среза, силы резания не велики.
Обработка изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов в аэрокосмической и автомобильной промышленности
Обработка штампов и пресс-форм, характеризующихся жесткими допусками, высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности. Достижение данных требований возможно применением ВСО.
Обработка деталей малых размеров, миниатюрных деталей в медицине и других отраслях, включая нанотехнологии.
Обработка в ювелирной промышленности.

Сегодня данная обработка успешно внедрена и получила всемирное признание. Вместе с тем ВСО довольно не простой процесс и предъявляет ряд жестких требований ко всем ее составляющим, требует высокой степени оптимизации, так как безупречная работа возможна только в очень узкой области технологических параметров.

Станки для ВСО

Современное станкостроение поддерживает данную обработку придавая станкам особые характеристики: высокая геометрическая точность, высокая статическая жесткость, высокая динамическая жесткость, температурная стабильность, обеспечение свободного схода стружки. Станки должны иметь хорошие виброгасящие характеристики, безлюфтовые движения перемещающихся частей.

Для ВСО используются станки, оснащенные высокоскоростным инструментальным шпинделем, частота вращения шпинделя находится в пределах 12000-40000 об/мин.

Современные шпиндели для ВСО оснащены различными датчиками, для отслеживания положения шпиндельного вала, температуры и вибрации. С помощью полученных данных от датчиков устройство ЧПУ рассчитает компенсации смещения вала и произведет данную компенсацию. Датчики температуры на подшипниках предостерегут от перегрева и повреждения шпинделя. Датчики температуры показывают три сигнала «все впорядке», «состояние критическое» и «ошибка». При критическом состоянии обработка будет прервана на некоторое время для снижения температуры. Датчик вибрации при критических значениях также предупредит о чрезмерной вибрации. Она может быть вызвана неправильной балансировкой патронов и другими причинами. Такие «умные» шпиндели обеспечивают долгую службу станков, снижают их простои, реализовывают безлюдную технологию, а также обладают рядом других преимуществ. Данные шпиндели имеют опции для различного охлаждения инструмента и заготовки, а также много других полезных опций.

Существует и комбинированный шпиндель («дуплекс»), в корпусе которого размещены два электродвигателя и соответственно два вала, вращающиеся совместно или раздельно.

Скорость подач для ВСО должна составлять порядка 40-60 м/мин, скорость быстрого перемещения до 90 м/мин, отрабатывая при этом малые перемещения - от 1 до 20 мкм.

Современные станки обладают данными характеристиками, и ВСО становится все более реальной для практического применения.

Система ЧПУ для ВСО

Особые требования также налагаются и на систему ЧПУ, она должна позволять высокую скорость просмотра кадров вперед (100-200 кадров/с), чтобы успевать сделать расчеты для торможения на подходе к углу и разгона после поворота. Кроме того обладать множеством других возможностей для отработки ВСО.

Режущий инструмент для ВСО

Производители режущего инструмента не стоят на месте и уже давно выпускают твердосплавные режущие инструменты, работающие преимущественно на больших скоростях. Для создания подобного инструмента используются мелкодисперсные сплавы. Использование больших оборотов (40000 об/мин) предполагает применение инструментов небольшого диаметра 15-20 мм.

Применение данных инструментов на малых скоростях может быстро вывести их из строя, но стоит только повысить скорость резания – стойкость пластины вырастает в разы! Все дело в выходе на особый режим ВСО, когда сопротивление металла резанию резко снижается. По незнанию данных моментов на практике часто возникают проблемы при работе с данными инструментами.

Часто для ВСО используют плунжерные фрезы (монолитные и с пластинами), инструменты с кубическим нитридом бора (КНБ), а также инструмент с поликристаллическим алмазом (ПКА).

Из-за большого объема материала, срезаемого при ВСО на больших подачах, желательно использовать двузубые фрезы, чтобы стружка могла свободно уместиться в канавке. Опыт показывает, что желательно применять специальные фрезы и режущие пластины с большими передними углами заточки.

Вспомогательный инструмент для ВСО

Вспомогательный инструмент для крепления инструментов должен иметь конус HSK (возможно ВВТ конус), обладающего высокой статической и динамической стабильностью, высокой точностью, возможностью самобалансировки на высоких скоростях, а также меньшей массой по сравнению с другими конусами.

Как известно биение инструмента имеет особое влияние на его стойкость. Так при ВСО снижение биения инструмента до нескольких микрон увеличивает срок службы режущих пластин в несколько раз. Поэтому при ВСО первый выбор отдается термозажиму инструмента, т.е. термопатронам, термоусадочным цанговым зажимным патронам, также используются различные гидравлические патроны, балансируемые патроны, позволяющие работать на оборотах до 100000 об/мин. Полное радиальное биение (TIR) должно составлять максимум 10 микрон на режущей кромке. Главное качество вспомогательного инструмента - это выбрать все зазоры между инструментом и шпинделем.

Режимы резания при ВСО

ВСО ведется в надкритическом для колебаний диапазоне, потому что везде при таких высоких скоростях вращения, значительно превышаются частоты резонанса детали, инструмента и компонентов станка.

Назначение режимов резания вызывает некоторые трудности. Хотя они указаны в каталогах применяемого инструмента, тем не менее, имеют предварительный характер, окончательное же назначение режимов резания ведется исходя из опыта и экспериментов для конкретного обрабатываемого материала.

Для самых труднообрабатываемых материалов величину подачи на зуб можно вычислить по формуле fz=0,01хD, при этом рекомендуется, чтобы fz удовлетворяло следующему условию 0,005хD?fz?0.02xD, где D- номинальный диаметр фрезы.

Необходимо иметь ввиду, что в некоторых случаях приходится занижать режимы резания при обработке отдельных участков. Например, при фрезеровании полостей, когда опускание происходит по спирали или зигзагу. Здесь возможно опускание и в предварительно засверленное отверстие, но это не всегда бывает удобным. Иногда при обработке сложных участков выгодно фрезеровать с большими съемами, но меньшей скоростью, это увеличивает время обработки, однако исключает различные поломки.

Охлаждение при ВСО

Наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува. Так как тепло концентрируется в стружке, ее надо просто удалить из зоны резания, а не охлаждать заготовку и инструмент как прежде. В случае применения СОЖ инструмент подвергается циклическим температурным нагрузкам на кромке, что приводит к преждевременному выкрашиванию. А как известно для инструмента постоянная тепловая нагрузка, даже на средних температурах лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка.

Применение охлаждающей эмульсии иногда имеет место при ВСО, но не с целью охлаждения, а для использования ее смазывающих свойств. Охлаждающая эмульсия помогает скольжению стружки по режущей кромке без теплообмена.

Наиболее эффективным является применение масляного тумана с обдувом воздушной струей под большим давлением. При этом масло должно иметь растительное происхождение и быть безвредным для здоровья.

CAM-система

Применение ВСО невозможно без инновационных CAM-систем, обладающих возможностью программирования данной обработки. К CAM-системе для ВСО предъявляются множество требований, так как от качества УП во многом зависит износ дорогостоящего станка и инструмента, а также качество самой обработки.

CAM-система должна обеспечить равномерность снимаемого слоя и плавность движения инструмента, иначе инструмент сломается. Для этого необходимо применение верной стратегии обработки и специальной траектории движения инструмента.

При определении стратегии обработки и построении траектории должно быть обеспечено отсутствие резких изменений направления движения инструмента. CAM-система должна обладать возможностью генерации траектории, базирующейся на сплайнах (Nurbs –based machining), трохоидальной обработке.

К траектории инструмента предъявляются множество требований: инструмент не должен долбить деталь; режущая нагрузка должна быть в определенных для него пределах; холостые ходы должны быть минимизированы; время прохождения всей траектории должно сведено к минимуму, а также множество других условий.

УП для ВСО характеризуются высокой сложностью и имеют большие объемы, поэтому CAM-система должна обладать высокой скоростью вычислений, а также удобным интерфейсом для их редактирования.

Кроме того, CAM-система должна обеспечивать:

широкий выбор вариантов гладкого подвода-отвода и связок между проходами;
набором стратегий спиральной и эквидистантной обработки как на чистовой, так и на черновой обработке и поиск оптимальной стратегии в различных зонах;
автоматическое сглаживание траекторий в углах;
исключение проходов полной шириной фрезы и автоматическое применение трохоидального врезания в этих местах;
оптимизацию подач для сглаживания нагрузки на инструмент.

Стоит отметить CAM-систему PowerMill (Delcam). Данная система обладает богатыми возможностями для разработки программ под ВСО, обладает гибкими возможностями. Именно компания Delcam запатентовала «гоночную стратегию» обработки. Сегодня PowerMill интегрирован со многими известными системами трехмерного моделирования. И тем самым может быть применен без покупки дополнительных CAD-систем.

Заключение

Сокращение времени производственного цикла на 50% и более.
Увеличение производительности.
Более эффективная обработка.
Упрощение технологических процессов (отсутствие эрозионных и ручных доводочных операций).
Высокое качество обработки (получаемые поверхности как после шлифования).
Экономия (уменьшение времени обработки обуславливает экономический эффект).
Увеличение ресурса инструментов (инструмент или пластины меняются реже).
Уменьшение износа станка (постоянное усилие резания уменьшает переменные нагрузки двигателей).
Оптимальное использование времени.
Эффективное использование станков с ЧПУ.
Обработка сложных тонкостенных деталей с обеспечением высокого качества.
Обработка закаленных и труднообрабатываемых деталей твердостью 50 HRC и выше
Обработка деталей малых размеров.

Не смотря на то, что стоимость станков и инструментов для ВСО в несколько раз дороже стандартных их аналогов, следует учитывать все преимущества ВСО перед силовой (традиционной) обработкой. При грамотной настройке и большой загрузке станков (порядка 120 ч в неделю) стратегия ВСО способна довольно быстро окупить все затраты.

Высокоскоростная обработка металлов резанием - это одна из современных технологий, позволяющая увеличить эффективность, точность и качество, в сравнении с обычными способами металлообработки обработки. Особая черта такого подхода заключается в высокой скорости резания, в результате которой существенно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче, и силы резания уменьшаются. Все это позволяет рабочему инструменту перемещаться с большой подачей.

Существуют четыре принципа генерации траектории движения режущего инструмента, которым подчинены все подходы к созданию управляющих программ для высокоскоростной обработки на станках с чпу:

Предпочтительны длинные траектории инструмента для резания с небольшой глубиной в осевом и радиальном направлениях.
Резание образующей вместо торцового фрезерования. Окружная скорость прямо пропорциональна радиусу инструмента, и даже при высокой скорости вращения шпинделя она равна нулю в центре инструмента (на оси). Силы резания при высокоскоростной обработке существенно уменьшаются в направлении осей X и Y, а в направлении оси Z практически не изменяются. К тому же при торцовом фрезеровании удаление стружки затруднено, что негативно сказывается на процессе резания.
Плавное изменение условий резания: условия отвода стружки, усилия резания в осевом и радиальном направлениях и т.д. Для инструмента из твердого сплава более благоприятна постоянная (пусть даже и высокая) температура в зоне резания, чем её колебания. Резкое изменение условий резания при врезании инструмента в материал приводит к увеличению количества выделяемого тепла и механических напряжений, что отрицательно сказывается на стойкости инструмента. Если траектория инструмента рассчитана при условии плавного изменения условий резания, то это позволит значительно увеличить стойкость инструмента, получить лучшую точность и шероховатость обработанной поверхности.
Плавные траектории инструмента. Применение функции предварительного анализа траектории с соответствующим регулированием рабочей подачи позволяет предотвратить резкие врезания в материал, так как рабочая подача будет соответствовать запрограммированному значению только на плавных (особенно на прямолинейных) участках траектории, а перед резкой сменой направления движения инструмента рабочая подача будет постепенно уменьшаться до некоторого значения. При плавном изменении нагрузки на инструмент на механические узлы станка будут действовать наименьшие силы. Практика показывает, что деталь невозможно изготовить без использования траектории, предполагающей резкую смену направления движения инструмента (рис.1, а), но такие случаи необходимо минимизировать. Плавная траектория (рис.1, б) более подходит для высокоскоростной обработки металлов резанием.

Рис. 1. Схемы траекторий движения инструмента при высокоскоростной обработке металлов на станках с чпу: траектория с резким изменением направления (а), плавная траектория движения (б)

Высокоскоростная обработка на станках с чпу

Сила резания в направлении оси Z не уменьшается при увеличении скорости вращения шпинделя. Врезание в твердый материал с высокой рабочей подачей создаст напряжение в инструментальном патроне и шпинделе, и приведет к повреждению инструмента. Необходимо избегать вертикального врезания инструмента (за исключением графита, алюминия и некоторых других мягких материалов). Перемещение режущего инструмента на величину прохода по оси Z рекомендуется производить в воздухе, а врезание в горизонтальном направлении - по дугообразной траектории. Желательно и выход инструмента осуществлять по дуге. Чем тверже материал, тем меньше должно быть значение угла врезания. Например, при обработке стали твердостью 62. 65 HRC рекомендуется задавать угол врезания не более 0.5 градуса.

Резание параллельными слоями (фреза движется последовательно слоями по горизонтальным плоскостям) - наиболее распространенный метод формирования траектории для предварительной обработки. Преимущество этого подхода в простоте программирования при сохранении глубины фрезерования. При обработке параллельными слоями генерируются проходы для окончательной обработки боковых стенок карманов или островов. Однако для обработки плоских поверхностей (низ кармана или верх острова) такая техника не совсем подходит, и тут лучше применять другие методы. Некоторые САМ системы позволяют программировать траектории для обработки комбинированных поверхностей. Одна из проблем обработки параллельными слоями - изменение шага по оси Z. Только часть САМ-систем автоматически определяют различные значения приращения по оси Z в зависимости от угла наклона стенок; большинство же - не может. Технолог-программист вынужден вручную разделять поверхность на области и указывать различные значения шага по оси Z, чтобы получить оптимальную шероховатость поверхности наклонных и вертикальных стенок.

Советы при реализации высокоскоростной обработки

На основе практического опыта выработаны следующие рекомендации по программированию траекторий когда планируется высокоскоростная обработка металлов фрезерованием на станке с чпу:

Обработка с образованием стружки. Тепло из зоны резания в основном отводится вместе со стружкой. При малой рабочей подаче стружка почти не производится. Вырабатываемое в процессе трения тепло будет отводиться только через инструмент и обрабатываемую деталь, что приведет к перегреву и преждевременному износу инструмента.
Если условия резания в режиме высокоскоростной обработки не могут быть постоянными в силу специфической геометрии детали, то уменьшение значения шага по оси Z является наиболее эффективным способом улучшить резание. При уменьшении шага минимизируются случаи внезапного увеличения объема удаляемого материала при врезании фрезы в угол, которые приводят к повышению вибрации и ухудшению условий отвода стружки.
Попутное фрезерование для предварительной и окончательной обработки. Поверхность получается с лучшей шероховатостью и происходит оптимальный отвод стружки; так же существенно возрастает стойкость фрезы. Современные инструменты из твердого сплава лучше сопротивляются усилиям сжатия (что характерно для попутного фрезерования), нежели растяжения. При встречном фрезеровании толщина стружки увеличивается от нуля до максимума, что способствует выделению большого количества тепла, поскольку режущая кромка движется с большим трением.
Резание в одном направлении. При таком резании инструмент всегда будет находиться с одной стороны от материала, поэтому условия резания будут более однородными. Недостаток - большое время, затрачиваемое на холостые перебеги.
Минимум врезаний инструмента. При врезании количество стружки резко увеличивается, и в режущем инструменте возникает большое напряжение.
Окончательная глубина фрезерования при высокоскоростной обработки металлов резанием должна достигаться переменными шагами, чтобы для окончательной обработки оставался равномерный припуск. Излишний припуск может оказаться слишком большим для инструмента окончательной обработки. Если используемая САМ система не обеспечивает контроль величины припуска, необходимо добавить дополнительную траекторию между предварительной и окончательной обработкой.
Обработка «от центра - к периферии» и несколько чистовых проходов при обработке стенок. Для предварительной обработки параллельными слоями, когда на каждом уровне инструмент движется по спирали, лучше генерировать траекторию «от центра - к периферии». Это также позволяет добавить дополнительный проход при обработке боковых стенок кармам Свои преимущества есть и у обработки «от периферии - к центру», при которой уменьшаются случаи врезания инструмента по оси Z и в углах. Если в САМ-системе есть функция минимизации врезаний инструмента, то рекомендуется её использовать.
Предварительная обработка фрезами большого диаметра с припуском в углах для последующей доработки. Обработка углов с маленькими радиусами должна производиться инструментом малого диаметра, который не является в достаточной мере жестким для удаления большого количества материала, особенно когда инструмент имеет большой вылет (малое соотношение диаметра инструмента к его длине). САМ-системы позволяют удалять припуск, оставленный в углах, с помощью дополнительных фрез меньшего диаметра. Это особенно полезно, когда твердость металла высока.
Использование функции САМ-системы «аппроксимация дугами». Она служит для преобразования нескольких линейных сегментов траектории в одну дугу, что позволяет уменьшить размер УП и обеспечить постоянство рабочей подачи. Эта функция особенно полезна при интерполяции одновременно по трем осям. При этом значение точности интерполяции должно быть на порядок выше, чем оставленный припуск.
Отход и подход к траектории должны производиться по дуге. Условия резания в таком случае изменяются плавно, и износ инструмента уменьшается.
Предварительную обработку предпочтительно осуществлять концевыми фрезами с небольшим радиусом (до 1 мм) на торце. Они могут сохранять свою целостность дольше фрез без радиуса на торце или сферических фрез.

Рекомендуется применять обильное охлаждение или работать вовсе без охлаждения. Целесообразность использования СОЖ повышается с уменьшением скорости резания. Процесс отвода тепла в большой степени зависит от своевременного удаления стружки, и для этого правильней будет использовать воздушную струю, поданную под большим давлением вместо охлаждающей эмульсии на водной основе. Поскольку в зоне резания создается высокая температура и большие центробежные силы, любая жидкость на водной основе вблизи от режущей кромки будет мгновенно превращена в пар, и какой-либо охлаждающий эффект будет отсутствовать. В момент высокоскоростной обработки металлов резанием жидкость будет на мгновение охлаждать режущую кромку, находящуюся в тот момент вне процесса резания. Эти тепловые удары приведут к преждевременному износу инструмента. Масляно-воздушная охлаждающая эмульсия в виде тумана служит в основном для смазки и уменьшения трения.

Читайте также: