Высокоскоростная обработка hsc (high speed cutting): современное состояние вопроса

Солтус Н. В.

Историки верят, что первый резьбовой винт был сделан около 400 г. н.э., а устройства для сверления еще раньше. При этом процесс совершенствования оборудования, инструмента, систем управления происходит постоянно. Это вызвано необходимостью получения деталей с лучшими потребительскими свойствами, обусловленными новыми требованиями заказчиков. Те, кто быстрее приспосабливается к этим требованиям в области качества, сроков и стоимости выигрывают в конкурентной борьбе. Те же законы развития технического прогресса стимулируют разработчиков двигаться по пути создания все более жестких и легких конструкций с более узкими допусками на размеры. В результате этих тенденций возникло такое направление как высокоскоростная обработка (ВСО) [1].

В основе HSM лежит значительное увеличение скорости шпинделя и подач, с целью достичь высоких результатов обработки, которые никогда не были доступны прежде. Очень тонкие стенки, гладкая поверхность и большие объёмы снятия металла – вот некоторые примеры обработки, которые могут быть достигнуты с применением HSM. Обработка HSM может применяться не только в отношении цветных металлов, в частности алюминия, но даже в отношении закалённой стали и труднообрабатываемых материалов. Это позволяет применять технологию HSM в таких отраслях промышленности, как авиастроение, производство штампов и пресс-форм, миниатюрное производство, медицинская промышленность.

Область применения HSC простирается от автомобильной и авиационной до ювелирной промышленности. Так, тяжелые высокоскоростные шпиндели швейцарской фирмы IBAG Switzerland AG встроены в обрабатывающие центры предприятий Боинга и BMW, а малые шпиндели наводят блеск на кристаллы Сваровского.

Преимущества HSC признаны на мировом уровне:

- сокращение времени производственного цикла на 50% и более;

- максимальная производительность;

- качество обработанной поверхности как после шлифования;

-обработка деталей малых размеров включая нанотехнологии;

-комплектная обработка детали с одного установа.

Однако использование преимуществ HSC связано с определенными затратами и требует тщательного подхода к выбору шпинделя и инструмента. Кроме того, высокоскоростное резание требует высокой степени оптимизации. Безупречная работа возможна только в очень узкой области технологических параметров.

Высокоскоростное резание известно ещё с давних пор (первые попытки были предприняты в ранних 1920-х), на сегодня его определение допускает весьма широкую трактовку. В 1931 году Карл Саломон предложил первое определение HSM, которое обозначало его как обработку на скорости в 5-10 раз большей, чем скорость, применяемая в обычной обработке. Сегодня HSM определяется не только как обработка на высокой скорости шпинделя, но также как целая стратегия повышения производительности и снижения затрат [2].

Теоретические и экспериментальные выкладки показали, что увеличение местной стабильности происходит, когда частота прохода зуба фрезы равна естественной частоте самой гибкой системы. Выбор подходящей скорости шпинделя, соответствующей стабильной проходной частоте зуба, тоже относится к стратегии HSM. Концепция HSM основана на восстановлении колебаний, которые являются основной причиной нестабильности при обработке (самопроизвольные колебания). Восстановление колебаний происходит, когда зуб фрезы находит на неровную поверхность, оставленную предыдущим зубом. Прогноз стабильности системы зависит от фазы соотношения между смещением текущего зуба фрезы и неровностью, на которую он находит. На определённых фазах соотношений последовательные вибрации инструмента уменьшаются, на других – возрастают до тех пор, пока поломка или нелинейность системы не ограничат движение.

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

Но наиболее важным фактором является перераспределение тепла в зоне резания. При небольших сечениях среза, в данном диапазоне скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку. Именно это позволяет вести обработку закаленных сталей не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Отсюда основной принцип ВСО – малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокие обороты шпинделя и высокая минутная подача (рисунок 2).

Условием успеха в высокоскоростной обработке может быть правильный выбор всех составляющих факторов, участвующих в этом процессе – станок, система ЧПУ, режущий инструмент, вспомогательный инструмент с системой закрепления инструмента, система программирования, квалификация технолога программиста и оператора станка с ЧПУ. Пренебрежение одним из этих составляющих может свести к нулю все предыдущие усилия.

Современный станок для ВСО имеет скорость вращения шпинделя 12000-25000 оборотов в минуту и оснащен средствами температурной стабилизации шпинделя. Некоторые фирмы предлагают станки со скоростью вращения до 40000 об/мин. Скорости подач 40-60 м/мин, скорость быстрых перемещений до 90 м/мин. Станки отрабатывают малые перемещения от 5 до 20 мкм, имеют повышенную жесткость и температурную компенсацию. Именно прогресс в области станкостроения позволил осуществить ВСО.

Ведущие инструментальные фирмы предлагают сегодня широкую гамму фрез для ВСО с подробными рекомендациями по областям их применения и режимам резания. Разрабатываются новые мелкодисперстные сплавы способные надежно работать на высоких скоростях. Более 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 – величина биения фрезы, вибрации, инерционные нагрузки и силы, возникающие при этом, становятся соизмеримыми с силами резания.

Сплавы и параметры режущих инструментов играют очень важную роль в процессе. С учётом этого, ISCAR разработал мелкозернистый твердый сплав без покрытия - IC08, для обработки цветных металлов на высоких скоростях резания. Также, ISCAR разработал супермелкозернистый твердый сплав IC903 с содержанием кобальта 12% и покрытием TiAlN PVD, обладающий прочностью и высокой износоустойчивостью для скоростной HSM обработки закаленной стали (до 62 HRc), титановых и никелевых сплавов, и нержавеющей стали.

Инструменты из этих сплавов имеют специальную геометрию и специально подготовленные режущие кромки для высокоскоростной обработки. Также, они демонстрируют высокую прочность при постоянной ударной нагрузке на больших частотах, и обеспечивают уменьшение нагрева и термального расширения.

Интересный эффект увеличения стойкости инструмента при ВСО наблюдается при сравнении способов охлаждения. Как показывает график, наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува. Так как тепло концентрируется в стружке, ее надо просто быстро удалить из зоны резания.

Низкая стойкость инструмента при охлаждении объясняют главным образом выкрашиванием, вследствие циклических термических нагрузок на режущую кромку инструмента. Постоянная тепловая нагрузка, даже на относительно высоких температурах лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка (рисунок 4).

Особенности технологического процесса обработки деталей, где необходимо быстрое снятие материала (FMR) – в основном, это производство автомобильных деталей, маленьких компьютерных компонентов, а также медицинских устройств – также требуют задействовать технологию HSM.

Авиационная промышленность: для крыльев и фюзеляжа самолета часто требуется обрабатывать длинные детали из алюминия, зачастую с тонкими стенками, и такая обработка практически основана на HSM, с применением высоких скоростей резания 15,000-50,000 об/мин, вместе с большими подачами [4].

Производство штампов и пресс-форм – это ещё одна область применения фрезерования HSM. Здесь имеют место жесткие допуски, высокая точность и строгие требования к качеству поверхности для твердых и мягких материалов, а также электродов, изготавливаемых из графита и меди для производства электроэрозионных станков (EDM).

HSM позволяет на практике использовать инструмент малого размера на малых глубинах при обработке штампов и пресс-форм: таким образом, пазы и детали со сложным контуром можно производить фрезерованием, а не электроэрозионной обработкой (EDM). Кроме того, сопутствующая гладкость поверхности, полученная при обработке HSM, позволяет устранить необходимость ручной полировки.

Для таких операций требуется не только скорость, но и стабильность процесса, позволяющая эту скорость поддерживать. Этот процесс включает рекомендации по оснастке, контролю и программированию, совершенно отличающиеся от требований к стандартному резанию. В некоторых случаях, процесс требует учета свойств станка на различных скоростях.

Что касается спецификаций станка, то достижение качественной высокоскоростной обработки на ряде операций требует конструкции станка, в которой все компоненты гармонично сложены в пропорциональную систему. Здесь требуется принять во внимание важные элементы механической конструкции.

Высокоскоростная обработка HSC (HighSpeedCutting) является залогом повышения точности обработки и сокращения времени производственного цикла. Такая обработка немыслима без высококачественного шпинделя и соответствующего программного обеспечения. Этим обуславливается совместное участие швейцарского производителя HSC-шпинделей IBAG Switzerland AG и завоевавшего широкое признание в России производителя программного обеспечения для высокоскоростной обработки DELCAM [3].

2 Высокоскоростная обработка. [Электронный ресурс]. 2011. — Режим доступа к статье: http://www.delcam-ural.ru/cam/tehpodderjka.