Высокоскоростная обработка. ВСО. Hight speed cutting.

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.

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:

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

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.

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.

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

Преимущества ВСО:

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.

На главную Статьи