Технология высокоскоростной механической обработки

поддержание неизменных условий резания обеспечивается плавным перемещением инструмента без резких ускорений или замедлений,

распределение точек обработки (контакта инструмента  с заготовкой) позволяет поддерживать приемлемые скорости и подачи инструмента,

переход инструмента на следующий уровень обработки осуществляется путем наклонного, а не вертикального врезания,

минимизация таких  участков резания, где снимается  большой припуск; величина подачи уменьшается  в тот момент, когда инструмент переходит от снятия малого припуска к снятию большого,

минимизация количества замедлений при движении инструмента  при растровой обработке достигается  путем выбора угла растра.

Рис3. Предпочтительные стратегии при ВСО  

При выборе траекторий для ВСО надо исключать резкие изменения в движениях инструмента, особенно в зонах врезания, когда идет проход полной шириной фрезы. Это достигается трохоидальной обработкой, когда в процессе врезания фреза движется по окружности (рис. 2, 3). Идеально, когда САМ система сама строит трохоиду в местах, где необходимо осуществить врезание. Такая стратегия используется и при формировании пазов, которые ранее обрабатывались одним ходом фрезы того же диаметра, что и ширина паза. 

Предпочтение  должно отдаваться спиральным стратегиям, где инструмент, однажды врезавшись, сохраняет непрерывный и равномерный контакт с заготовкой (рис. 3,а) или стратегиям эквидистантного смещения контура, которые длительное время сохраняют контакт инструмента с заготовкой, с одним заходом и выходом (рис. 3,б).  

Таким образом, САМ система для ВСО должна обеспечить:

широкий набор  вариантов гладкого подвода-отвода и связок между проходами,

набор стратегий  спиральной и эквидистантной обработки  зон 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.  

7. Режущий инструмент  для  ВСО должен иметь повышенную стойкость. Ведущие инструментальные фирмы предлагают широкий набор фрез для ВСО с подробными рекомендациями по областям их применения и режимам резания. Разрабатываются новые мелкодисперсные сплавы, способные надежно работать на высоких скоростях. Режущая часть инструмента изготовляется из различных материалов, включая микрозернистые карбиды, поликристаллические алмазы, поликристаллический нитрид бора с кубической решеткой, карбид титана и др. Часто применяются износостойкие покрытия, что позволяет повысить скорость обработки или стойкость инструмента.  

Важно обратить внимание на системы вспомогательного инструмента, которые обеспечивают крепление фрез. В связи со снижением  сил резания в процессе ВСО  на первый план выходят другие факторы, такие как величины биения фрезы, вибрации. 

Так как задача ВСО – обеспечить высокое качество обрабатываемой поверхности, то дополнительное внимание следует уделить подбору  режимов резания с точки зрения нахождения зон, где отсутствуют  вибрации при высоких скоростях резания. Таким образом, ВСО требует особого внимания к балансировке инструмента. Для этого могут использоваться специальные патроны с возможностью балансировки или сбалансированные оправки для термозажима.  

Для высокоскоростных станков обычно используют вспомогательный инструмент с хвостовиками HSK (Hohlschafte Kegel). В России хвостовики  HSK внедрены ГОСТ Р 51547–2000, имеют укороченный полый конус, особую схему закрепления в гнезде шпинделя, повышенную точность изготовления. Статическая податливость хвостовиков HSK в 6...7 раз меньше, чем у хвостовиков с конусом  7: 24. 

Монолитный твердосплавный инструмент для высокоскоростного  фрезерования на российском рынке представлен  рядом фирм:

"ВНИИинструмент" (Россия, Москва) – новые инструменты для высокоскоростной обработки, в том числе и монолитные концевые твердосплавные фрезы;

НПФ "Порошковый инструмент. Металлы" (Россия, Санкт-Петербург) – монолитные твердосплавные фрезы  для обработки чугуна, бронзы, цветных  металлов и пластмассы;

ОАО "Томский инструмент" (Россия, Томск) – новые твердосплавные фрезы для обработки сталей, в том числе и закаленных, чугунов и легких сплавов. Фрезы изготовлены из твердого сплава с содержанием WC 90% и Co 10% и с размером зерен 0,5 … 0,7 мкм;

компания SGS Tool Company (США) – инструмент для обработки жаропрочных, нержавеющих сталей, титана, закаленной инструментальной стали до твердости 65HRС;

компания Sandvik Coromant (Швеция) – цельные твердосплавные концевые фрезы;

компания Hanita (Израиль) – многозубые твердосплавные черновые и чистовые концевые фрезы для обработки конструкционных и закаленных сталей при форсированных режимах резания;

фирма Mitsubishi Carbide (Япония) – концевые монолитные твердосплавные концевые фрезы с износостойкими покрытиями для обработки закаленных материалов твердостью до 70 HRC;

компания Seco (Италия) – монолитные концевые фрезы с  покрытием для обработки легированных и титановых сплавов, конструкционных  сталей;

фирма Korloy (Южная  Корея) – монолитные твердосплавные концевые фрезы высокой прочности за счет ультрамелкозернистой структуры материала – основы с высокой точностью обработки, обеспечиваемой острой режущей кромкой;

фирма  Iscar (Израиль) – гамма монолитных твердосплавных фрез;

фирма Kennametal Hertel (Германия, США) – монолитный твердосплавный инструмент и др.

Рис.  4. Графитовый электрод после ВСО размер 350×200 мм; 9600 шестигранных отверстий с радиусом 0,2 мм; обработка наружной поверхности  шаровой фрезой диаметром 10 мм; обработка  отверстий – черновая  фрезой диаметра 1,5 мм; чистовая  фрезой диаметра 0,4 мм; частота оборотов шпинделя 45000 мин-1, время обработки 34 ч.  

Таким образом, для успеха ВСО необходимо  сочетание  надлежащего уровня оборудования и  системы подготовки УП. Это  и  обеспечивает требуемый результат: существенное сокращение времени обработки деталей как за счет высокоскоростной обработки, так и за счет уменьшения объема ручной доводки детали и возможности обрабатывать термообработанную инструментальную сталь и другие материалы (рис. 4). Если учесть при этом наличие ускоренной подготовки УП необходимого уровня, то налицо резкое сокращение времени на технологическую подготовку производства, что, собственно говоря, и является основной целью современного предприятия.  При загрузке станка около 120 ч в неделю  он с лихвой окупает все затраты, связанные с его приобретением. 

8. Сравнение  стоимости вариантов при внедрении  высокоскоростного оборудования  является обязательным. Стоимость  станка для ВСО в среднем  в 2 раза выше, чем обычного  с аналогичным размером стола. Стоимость их работы приблизительно одинакова, если не учитывать, что цена режущего инструмента для высокоскоростной обработки графитовых и медных электродов в 4 ... 5 раз, а для высокоскоростной обработки инструментальных сталей в 10 ... 12 раз выше, чем инструмента, применяемого для традиционной механообработки. Частично эта высокая стоимость компенсируется более долгим сроком службы инструмента, так как он работает с меньшей глубиной резания. Тем не менее, шпиндели станков и инструмент требуют особого внимания из-за более высокой цены их замены. Поэтому в условиях реального производства при внедрении высокоскоростной обработки необходим соответствующий просчет вариантов. 
 

Инструмент  

Из-за большого объема материала, срезаемого при ВСО  на больших подачах, желательно использовать двузубые фрезы (рис. 9), чтобы стружка могла свободно уместиться в канавке. Опыт показывает, что желательно применять специальные фрезы и режущие пластины с большими передними углами заточки.  

 

 
 

Рис. 9. Для обработки  демонстрационной детали использовались цельные твердосплавные фрезы SECO серии Tornado 

Одна из главных  проблем, возникающих при обработке  алюминиевых сплавов, связана с высокой адгезией алюминия, из-за которой на режущей кромке образуется «нарост» и обрабатываемый материал «налипает» на фрезу. Это негативное явление резко снижает качество обработанной поверхности. Во избежание этого необходимо выполнять ряд простых и эффективных рекомендаций, что позволит получать очень высокое качество обработанной поверхности:

- применяйте обычный инструмент с полированными кромками;

- не используйте (!) режущие пластины с покрытием из нитрида титан-алюминия (TiAlN);

- выбирайте инструментальные сплавы с меньшим содержанием кобальта;

- используйте СОЖ для уменьшения наростообразования. СОЖ должна поступать на - ----- режущую кромку. Старайтесь применять охлаждение через инструмент;

- резьбу эффективнее нарезать вихревым фрезерованием.

При высоких  скоростях вращения шпинделя, требующихся  при ВСО, особое внимание следует  уделять зажиму инструмента. По законам  физики центробежная сила пропорциональна  частоте вращения в квадрате, поэтому  при ВСО малейший дисбаланс инструмента  приводит к быстрому износу, а возникающие биения ухудшают качество обработанной поверхности. Опыт показывает, что, несмотря на относительно высокую стоимость (требуется термостанция), в случае частого использования ВСО целесообразно приобрести термозажим (рис. 10), обеспечивающий хорошую жесткость, малое биение и простоту в применении. При периодическом использовании ВСО можно обойтись гидрозажимом, но его асимметричная конструкция может вызвать дисбаланс. Применение для ВСО высококачественной цанги также полностью не исключается, но точность будет зависеть от оператора.   

Рис. 10. Оправки с термозажимом 

Станок  

Если проанализировать форму алюминиевых корпусных  деталей топливной и гидравлической аппаратуры, то выбор станка практически однозначен — пятиосевой фрезерный или многозадачный станок. Такой станок обеспечит доступ к разным сторонам детали с одной установки и позволит ориентировать плоские элементы детали по нормали к шпинделю, что даст возможность использовать торцевые или концевые фрезы для обработки плоскостей и отверстий (рис. 11).  

 

 
 

Рис. 11. Пятиосевая обработка позволяет обработать всю деталь за один или два установа 

  

Если для обработки  использовать трехосевое оборудование, то деталь придется обрабатывать на станке в несколько технологических  установов, что сопряжено с проблемами базирования и переустановки  заготовки и приведет к потере производительности.  

Требования к  станку для ВСО весьма противоречивы: он должен быть достаточно точным, жестким  и быстрым. Остановимся на этих требованиях подробней:  

1. Желательно, чтобы архитектура (конструкция) станка позволяла полностью обработать деталь за один технологический установ, тогда удастся избежать потери точности и времени при повторном базировании. Из соображений жесткости портальная конструкция станка более предпочтительна, чем консольная. Считается также, что более жесткая конструкция лучше демпфирует вибрации. Желательно, чтобы станок обладал тяжелой станиной и легкими, но жесткими движущимися частями. Отметим, что для ВСО не рекомендуется (!) использовать модернизированное оборудование.  

2. При выборе станка для ВСО всегда возникает дилемма — что для шпинделя важнее: крутящий момент или частота вращения? Ведь при одинаковой мощности, чем выше скорость вращения, тем ниже крутящий момент. Здесь следует иметь в виду, что шпиндели с высокими оборотами, как правило, имеют меньший диаметр подшипников, следовательно, допустимая нагрузка на них тоже ниже. Сравнительные данные для шпинделей фирмы НSK приведены в табл. 1.