Высокоскоростная механическая обработка

Интенсификация производства требует внедрения высокоскоростных методов обработки, особенно при таком трудоемком процессе как фасонное фрезерование. Это возможно при использовании ультрасовременных станков с ЧПУ  с частотой вращения шпинделя более 20 000 мин ^–1 и подачей от 3000 до 10000 мм/мин. Конечно, при таких режимах сама работа, используемый станок и инструмент имеют существенные особенности, также как подготовка процесса, разработка УП и технологических процессов и многое др. [1 … 9].

Технология высокоскоростной механической обработки (ВСО) относится к числу наиболее прогрессивных и быстро развивающихся. Уже сегодня промышленность ведущих стран мира достаточно широко использует ВСО при скоростях резания 500…1500 м/ мин и более (табл. 1) при обработке:

• пресс-форм и штампов концевыми фрезами для получения изделий, широко применяемых в автомобильной и аэрокосмической промышленности – жаропрочные стали, алюминиевые сплавы, конструкционные оргпластики, армированные стекловолокном и др.;
• фольгированных печатных плат (скоростное сверление), для электронной промышленности;
• изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов в  аэрокосмической и автомобильной промышленности и др.

Т а б л и ц а  1    Характеристики высокоскоростного резания

Например, при фрезеровании алюминия используются следующие диапазоны скоростей, м/мин:

• традиционный – менее 500
• высокопроизводительный – 500 ... 2500
• высокоскоростной – 2500 ... 7500
• сверхвысокоскоростной – более 7500.

До недавнего времени широкое применение этой технологии сдерживали: режущий инструмент, оборудование и системы ЧПУ. Сейчас эти проблемы в принципе  решены. Поэтому тенденция к расширению создания и использования технологий высокоскоростной обработки носит устойчивый характер.

Рис. 1. Кривые Соломона. Зависимость сил резания от скорости резания

Высокоскоростная механическая обработка  (HSM – High Speed Machining) и высокоскоростное фрезерование (HSM – High Speed Milling), в частности, в последние годы существенно изменили подход к методам механообработки. Решающим фактором в оценке процесса HSM-обработки является производительность станков, что определяет стоимость производства и повышение качественных характеристик процесса обработки.

1. Высокоскоростная обработка

Теоретическим обоснованием высокоскоростной обработки являются так называемые кривые Соломона (рис. 1), которые показывают снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей.

Еще в конце 20-х годов прошлого века Герман Соломон, изучая процессы резания циркульными пилами, сделал вывод, что температура резания зависит от скорости не монотонно, а имеет определенный экстремальный характер. Этой зависимостью он объяснил достигнутые им в опытах очень высокие скорости резания (до 16500 м/мин).

В последующие годы изучением этого вопроса занимались многие ученые, в их опытах на баллистических установках были зафиксированы гораздо более высокие скорости резания (Кузнецов, 1947 г., 50000 м/мин; Кроненберг, 1958 г, 72000 м/мин; Арндт, 1972 г., 132000 м/мин) и предложены физические и математические модели, объясняющие этот эффект.

Применительно к фрезерованию впервые эффект ВСО был реализован в 1979 г. в Техническом университете Дармштадта (Германия), где с использованием шпинделя на магнитных подшипниках была достигнута скорость резания 4700 м/мин. Группой сотрудников университета под руководством профессора Г. Шульца была предложена теория процессов ВСО и изучена возможность промышленного внедрения этого эффекта [2]. Физическая природа высокоскоростного резания хорошо объясняется и российскими учеными на основе фундаментальных закономерностей процесса стружкообразования и изнашивания под влиянием высоких скоростей.

Одним из важных факторов при ВСО является не только снижение величины крутящего момента в зоне высоких скоростей, но и перераспределение тепла в зоне резания. При небольших сечениях среза в данном диапазоне скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку. Поэтому считается, что высокоскоростное фрезерование, особенно развитое в технологиях ВСО,  базируется на сокращении количества тепла, возникающего при обработке резанием, которое обычно и есть причина износа инструмента.

Исследования, проведенные во время ВСО с правильно подобранными параметрами, показали, что 75% произведенного тепла отводится со стружкой, 20% – через инструмент и 5% – через обрабатываемую деталь.

Преимущество ВСО получается также за счет обработки в надкритическом диапазоне колебаний: при высоких частотах вращения, которые используются при ВСО, значительно превышаются частоты собственных колебаний детали, инструмента и компонентов станка. Одновременно с этим, благодаря небольшим поперечным сечениям среза, силы резания невелики, что благоприятно сказывается на точности обработки.  Кроме того – высокое качество получаемой поверхности, отсутствие дробления при резании, возможность обработки тонкостенных изделий.

2. Требования к оборудованию для высокоскоростной обработки

Особенности ВСО предъявляют особые требования к конструкции станков, обеспечивающих этот вид обработки. Это касается не только  всех элементов самого станка, но и систем и устройств, обеспечивающих его работу, а также целого ряда работ по обслуживанию станка и подготовки его к работе.  В общем случае среди требований к высокоскоростному оборудованию можно  отметить следующее.

1. Конструкция станка в целом должна иметь высокую жесткость и хорошие виброгасящие и демпфирующие характеристики, что обычно обеспечивается большой массой базовых частей. Особые требования у высокоскоростного оборудования предъявляются к конструкции направляющих, которые должны обеспечить плавное безлюфтовое движение перемещающихся частей станка. 

2. Конструкция станка в процессе работы должна обеспечить всем его элементам термическую стабильность при минимальных температурных деформациях, поскольку  тепловое расширение частей и элементов станка напрямую влияет на качество обработки. В современных высокоскоростных станках применяется специальная система охлаждения его основных элементов,  в которой  охлаждающая жидкость от специальной холодильной установки циркулирует по специальным отверстиям в шпинделе, ходовых винтах, в элементах корпуса и т.п.

Также для уменьшения тепловых деформаций у станков для изготовления отдельных деталей можно использовать натуральный гранит и специальную минеральную керамику.  От материала базовых элементов, особенно станин, стоек, столов, зависит не только склонность к температурным деформациям, но и целый ряд других характеристик станков – вибростойкость, прочность, электропроводность и др., многие из которых и определяют главную характеристику – точность оборудования.

3.  У фрезерных станков для ВСО высокая частота вращения шпинделя обычно сопровождается и большими значениями подачи. При изготовлении пресс-форм и штампов станок должен иметь частоту вращения шпинделя не менее 20 000 мин ^-1 и величину подачи как минимум 3000 мм/мин (лучше > 5000 мм/мин), отрабатывая при этом малые перемещения (от 1…2 до 20 мкм). Наряду с такими высокими значениями подачи необходимо, чтобы была возможность быстрого ускорения и замедления подачи. Для этого движущиеся части станка должны иметь малую массу и инерцию. Линейные двигатели – альтернативный вариант электродвигателям роторного типа – обеспечивают большую рабочую подачу, высокое ускорение, высокую точность, бесступенчатость регулирования и многое другое, что объясняет все увеличивающееся их использование в приводах подач станков для ВСО.

4. Высокоскоростной шпиндель – наиболее фундаментальный компонент станка для ВСО. Система ЧПУ, инструмент и все другие составляющие процесса служат единой задаче – использовать высокую частоту  вращения шпинделя наиболее эффективно.

Высокоскоростной шпиндель – это компромисс между силами и скоростью резания. Но наиболее критичный фактор ограничения — подшипники, долговечность которых особенно важна. В любом высокоскоростном шпинделе подшипник – первый компонент, который выходит из строя. В настоящее время нашел свое применение комбинированный шпиндель, так называемый «дуплекс», в корпусе которого размещены два электродвигателя. Размещенные концентрично два вала (по одному на каждый двигатель) могут вращаться совместно или раздельно. Вращение каждого из валов независимо контролируется системой ЧПУ. Такая конструкция позволяет работать, например, с частотой  вращения шпинделя до 10 000  мин ^-1 и обеспечением большого крутящего момента. В то же время, например, для окончательной обработки, шпиндель может развивать частоту вращения 30 000 мин^-1 за счет второго высокоскоростного двигателя с валом меньшего диаметра.

Рис. 2. Схема трохоидальной обработки паза

  Следует отметить, что уже достаточно распространенными являются станки с частотой вращения шпинделя 40 000…60 000 мин^-1, даже объявлена конструкция станка с частотой вращения шпинделя 500 000 мин^-1 .

  Для высокоскоростных щпинделей используют подшипники разных типов - шариковые, гидростатические, аэростатические,  электростатические и др. Выбор типа подшипников зависит, естественно, от принятой для станка максимальной частоты вращения шпинделя.

5. Системы ЧПУ  у высокоскоростных станков должны обеспечить особо  точное управление приводами подач и приводом главного движения (шпинделем). В общем случае УЧПУ для ВСО обеспечивает следующие функции управления:

• предварительный просмотр (функция Look-Ahead) кадров управляющей программы,
• преобразования, например, для 5-осевого преобразования,
• регулирование подачи для высокой точности траектории,
• функция HPCC (High Precision Contour Control), когда для обработки сигналов обратной связи используется дополнительный процессор,
• регулирование ускорения,
• коррекция инструмента (длина, радиус, износ фрезы),
• автоматизированные функции сглаживания траектории (интерполяция NURBS),
• высокая скорость передачи данных сети Ethernet (например, высокоскоростная связь RS422 обеспечивает пересылку файлов со скоростью до 2 Мегабод),
• компенсация ошибок, обусловленных механикой,
• безопасная эксплуатация в рабочем пространстве станка.

Но главным  образом, при определении системы ЧПУ  для ВСО должны учитываться три фактора, связанные с системой управления станком:

• высокие скорости обработки данных (около 200 блоков в минуту) для  обеспечения непрерывного движения инструмента,
• возможность просматривать данные как минимум на 100 блоков вперед для того, чтобы вычислять изменения величины подачи при подходе инструмента к острым углам (или другим подобным препятствиям) и отходе от них,
• закон изменения величины подачи для повышения качества поверхности и снижения нагрузок на инструмент должен иметь плавный колоколообразный вид, так как причиной снижения качественных характеристик процесса являются слишком резкие ускорения при движениях по траекториям с углами.

При ВСО в ряде случаев УЧПУ не может управлять станком непосредственно, а требуется управление обработкой с использованием системы DNС.

6. Определенные требования  ВСО предъявляет к САМ системам, которые применяются при подготовке УП. Это, в первую очередь, касается скорости вычислений при подготовке УП, определению стратегии обработки, характера построения и редактирования траекторий, предотвращению врезаний. И здесь особо подчеркивается способность CAD /CAM систем использовать при обработке моделей деталей и  разработке УП  сплайн-интерполяцию, обеспечивающую (при наличии соответствующего УЧПУ)  не только более высокие качественные характеристики обработанной детали, но и значительное сокращение объема УП и (что главное) времени обработки. Использование сплайн-интерполяции привело к созданию нового термина, определяющего вид (схему) обработки NURBS – BASED MACHINING (обработка, базирующаяся на сплайнах – сплайн-обработка).

Кроме меньших значений шага и глубины резания при выборе стратегии обработки особое внимание должно быть уделено исключению резких изменений направления движения инструмента, которые могут приводить к врезаниям или его поломке. Следовательно, САМ система должна обеспечивать широкий выбор стратегий обработки (рис. 2). При выборе оптимального варианта важно учитывать следующие факторы:

• 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.

П. П. Серебреницкий