Высокоскоростная обработка, находит применение для следующих материалов: алюминий, медь, графит, закаленная сталь. Эта технология также применима для обработки композитных и твердых металлических материалов. ВСО этих материалов применяется в аэрокосмической промышленности, автомобильной, медицинской при производстве оснастки и др.
До настоящего времени ведутся споры об основном эффекте ВСО – снижении времени цикла обработки, что не всегда бывает оправдано стоимостью мероприятий по организации процесса. Или, по второй версии, повышение качества и точности получаемых поверхностей. При этом стоит учитывать, что такие свойства ВСО, как плавные траектории движения инструмента, отвод тепла в стружку, более эффективное использование станков с ЧПУ, качество получаемых поверхностей после лезвийной обработки, сравнимое с обработкой шлифованием, и позволяет достичь новых потребительских свойств и экономии. Т.е. ВСО реализует принцип – делать с первого раза оптимально.
Специалисты поразному определяют понятие высокоскоростной обработки. Самое простое определение – это обработка при скорости вращения шпинделя более 10 000 об/мин. Производитель инструмента мог бы определить ВСО по скорости резания, а производитель обрабатывающих центров – как способность CNC контроллера просматривать больший блок. Известно, что технология ВСО стремится использовать высокие скорости вращения и подачи при небольших усилиях резания, в то время как классическая обработка – обычную величину подачи с большой глубиной резания и высоким усилием резания. Например, некоторые обрабатывающие центры работают со скоростью до 30 000 об./мин и мощностью системы подачи до 30 л.с. (22,4 кВт). При этом условно можно разделить шпиндели для ВСО на три группы: силовые (15 тыс. об/мин,
45 квт), средние (24 об/мин, 20 кВт), скоростные (40 тыс об/мин и выше, 12 кВт). Чем выше количество оборотов, тем меньше мощность и диаметр инструмента.
Поэтому при определении ВСО правильнее рассматривать не только скорость шпинделя, но и весь динамический процесс обработки. Т.о. для описания процесса ВСО можно использовать 5 критериев, которые определяют 1) скорость шпинделя, 2) мощность шпинделя, 3) скорость подачи инструмента, 4) значения ускорений и замедлений рабочих перемещений, 5) степень точности перемещений. Последние три критерия служат для определения динамического отклика станка и определяют эффективность при обработке сплавов подобных алюминиевым. Однако динамика перемещения заготовки в некоторых случаях, когда рабочий стол станка подвижен, зависит также и от массы заготовки. В связи с этим, например, для аэрокосмической промышленности появляется следующая классификация деталей самолетов в две широкие категории – «тонколистовые” и “толстолистовые”. Для деталей толщиной до 50 мм ВСО определяется как скорость шпинделя в 30000 об./мин, мощность шпинделя до 80 л.с. (60 кВт). Высокая скорость для деталей из толстого листа более 50 мм –
18 000 об/мин и мощность 135 л.с. (100 кВт). Динамические параметры в действительности не отличаются для обработки толстого или тонкого листа. Ускорение/замедление д.б. около 0,5 g и необходимо обеспечить как можно более быструю подачу (не обработку), по крайней мере 38 м/мин. Ускорение/замедление значительно влияет на время обработки для детали со сложной поверхностью, где инструменту нужно делать много изменений в траектории, связанных с увеличением припуска, а значит и изменением подачи.
Подача значительно влияет на время обработки
, особенно на паразитное время, которое может составлять до 20% всего цикла при обработке алюминия. Паразитное время, по мнению американских специалистов, включает позиционирование инструмента для новой обработки или перемещение его для замены. Достижение высоких скоростей замены инструмента и позиционирования шпинделя в сочетании с высоким ускорением/замедлением – вот основные требования для современного обрабатывающего центра, ориентированного на высокоскоростную обработку легких сплавов. Некоторые образцы ОЦ имеют скорости позиционирования до 100 м/мин. Особенно эти показатели актуальны для обрабатывающих центров, предназначенных для обработки крупногабаритных деталей. Модели подобного оборудования разработаны MAG Cincinnati серии HyperMach.
Второй важной группой рекомендаций при ВСО являются небольшие сечения стружки
, определяемые подачей на зуб и маленькая глубина резания. Причем подача на зуб должна быть равномерной, в противном случае на инструмент начинают действовать перепады нагрузок при увеличении срезаемого припуска, что, как правило, приводит к поломке инструмента. Есть даже такая рекомендация, что глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы. Это связано с тем, что, чем меньше глубина обработки при высокой скорости, тем меньше тепла передается как детали, так и инструменту. Также меньшая сила резания возникает в процессе обработки, и деталь, и станок испытывают меньшие нагрузки. Стандартные методы обработки больших пазов с меньшей скоростью шпинделя – это потенциальная причина повреждения (деформации) деталей, например, из алюминия с небольшой толщиной. Т.е радиус фрезы должен быть меньше радиуса паза. Кроме того, меньшие усилия при резании означают также меньшие требования по закреплению инструмента.
Также следствием снижения сил резания стало высокое влияние на процесс обработки биения инструмента, вибрации, инерционных процессов, охлаждение зоны резания, т.к. при этих воздействиях возникают последствия, масштаб воздействия которых значительно отличается от технологии традиционной обработки. Так биение инструмента в 0,005 мм приводит к вибрациям и сверхбыстрому износу инструмента на эту величину. Примечательно, что 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. Постоянная тепловая нагрузка, даже на средних температурах лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка.
Другое интересное свойство ВСО – обработка сталей в термически обработанном состоянии
. Поверхность заготовки не успевает нагреваться и отпуск поверхностного слоя не происходит. Если деталь после термообработки имеет деформации отверстий, то традиционно эти деформации пытаются устранить сверлением. В этом случае эффективным способом может быть спиральное фрезерование отверстий. По утверждениям некоторых авторов такой способ приносит также выигрыш в качестве и в производительности по сравнению со сверлением.
При чистовой обработке алюминия рекомендуется
применять как можно более высокую скорость, при наличии шпинделя со скоростью 30 000 об/мин необходимо максимально использовать скоростные возможности шпинделя. Кроме того, рекомендуется ограничить диаметр используемого инструмента – чем быстрее производится обработка, тем меньше изза центробежной силы, вызывающей дисбаланс, должен быть диаметр инструмента. Например, на ОЦ со скоростью шпинделя 33 000 об/мин и двигателем 107 л.с. (80 кВт) не рекомендуется использовать инструмент с максимальным расстоянием от оси до крайней точки зуба более 25 мм (радиус). Для большинства типов обработки диаметр в 25 мм и менее наиболее эффективен, безусловно, с применением HSK конуса.
Другой ключевой критерий для ВСО – CNC контроллер,
и его способность управлять обработкой на высоких скоростях. Контроллеры с возможностью предварительного просмотра кадров управляющей программы, определяющий текущую скорость и ускорение/замедление инструмента в зависимости от требуемых перемещений являются, по общему мнению, таким же важным как и скорость шпинделя.
Стандартный предварительный просмотр на контроллерах составляет 6080 блоков Gкода. На сегодняшний день рекомендуются специальные контроллеры, разработанные специально для ВСО, способные просматривать предварительно от 180 до 150 блоков, например, Super GL4 компании Makino. Для той же геометрии обработки они на 1530% быстрее, чем его предшественники. Специально для функции предварительного просмотра появилась опция «Изменение скорости пропорционально изменению направления». Используя алгоритм, названный “ускорение до интерполяции”, объединенный с полным просмотром до 80 блоков, эта опция обеспечивает контур обхода без риска нарушения запрограммированного пути. Иначе говоря, функция производит предварительный просмотр по программе во время исполнения и поддерживает скорость максимальной насколько возможно для любого изменения в направлении. Если изменение в направлении незначительно, то и скорость изменяется незначительно.
В то время как ВСО для алюминия может считаться стандартной технологией, ее применение для других материалов представляет некоторые сложности.
Это относится и к композитным материалам. Наслаивание может создать полость для доступа в обшивке крыла, но только с примерной точностью +/ 0,5 мм, поэтому требования по точности к сопрягающимся частям, соединениям и сборкам требует обработки.
Считается, что ВСО композитов требует меньше мощности резания и силы резания, чем для алюминия. Станок сам по себе не должен быть массивным, как для обработки алюминия, но должен быть достаточного веса для предотвращения возникновения вибраций. В большинстве случаев скорость шпинделя составляет 10 – 13 000 об/мин, хотя могла бы быть и выше. Сегодня за рубежом производится ВСО композитов при производстве самолетов, где обработка материала с припуском 0.3 0.4 мм осуществляется на станке со скоростью шпинделя 24 000 об/мин.
ОЦ, изначально разработанные для обработки металлов, сейчас используются для обработки композитов. При этом, как отмечалось, требования к такому оборудованию несколько иные, чем для обработки металлических материалов, что возможно послужит причиной создания более легкого и специально разработанного класса станков для обработки композитов. Такие машины могут найти широкое применение в аэрокосмической отрасли, энергетической и электротехнической промышленностях, при производстве специальных изоляционных деталей. Следует отметить, что детали в этих отраслях будут иметь большие габариты и при этом жесткие допуски на обработку.
Чтобы удовлетворить потребности в таком оборудовании для обработки длинных тонких деталей, которые имеют много изгибов – MAG Cincinnati разработала специальный фрезерный станок. Адаптируемый к алюминию, или к композиту, он обеспечивает сквозной процесс с рабочей зоной 4 на 2,4 м, скоростью шпинделя 24 000 об/мин, набором из 112 инструментов с диаметром не более 25 мм. Детали могут быть длиной до 12 м.
Все выигрывают от применения ВСО, особенно для обработки алюминия и композитов, поэтому эта технология применяется и для обработки более твердых материалов. Титан, области применения которого расширяются, один из таких металлов.
Станки по обработке алюминия более похожи на гоночную машину Формулы 1, а станки по обработке титана – на бульдозер. Существует разница в скорости, мощности и конструкции шпинделя. Хотя принципы скоростной обработки – резание на высоких оборотах с маленькими припусками – только иногда подходят для титана. В частности тонкостенные детали лучше обрабатываются с использованием принципов ВСО, например, детали с толщиной 0,76 мм и высотой 76 мм. Такая тонкая высокая стенка не может быть обработана по старому классическому процессу. Обработка на низкой скорости и большой глубиной резания вызывает большие усилия резания, деформируют деталь, отжимают режущий инструмент.
Низкая теплопроводность титана и высокий модуль упругости в сочетании с его твердостью делает его трудным для обработки. При обработке титана важны усилия резания и динамическая жесткость системы. Эти параметры определяют величину скорости резания, например, по сравнению с алюминием.
Скорость перемещения поверхности резания и скорость подачи – это измеряемые параметры ВСО. Поверхность резания определяется как функция скорости шпинделя и диаметра инструмента; скорость подачи есть функция скорости вращения, количества зубьев и подачи на зуб. Это делает конструкцию режущего инструмента определяющей возможность фрезерования, так как чем больше зубьев у фрезы при одинаковой подаче на зуб, тем больше скорость подачи. Как правило, для ВСО используется специализированный инструмент на основе мелкодисперсных твердых сплавов, нитрида бора, поликристаллических алмазов и т.д. Эти материалы имеют более высокую стоимость, чем обычные, однако, многие потребители готовы нести подобные расходы, применяя технологию ВСО.
Учитывая особенности титана, одно из последних предложений на рынке представляет собой твердосплавный инструмент, который работает на скорости 130 м/мин. Диаметр составляет 25,4 мм с максимальным количеством зубьев, можно обрабатывать на оборотах 1500 об/мин. и скорости подачи 2,5 м/мин., но это очень скоростная обработка для титана. Для других труднообрабатываемых материалов, например, таких как жаропрочные и нержавеющие стали, также возможно применение и развитие технологии ВСО в ближайшем будущем.
Более того, на оборудовании фирмы Mazak были проведены эксперименты по обработке титана твердосплавными концевыми фрезами со скоростями резания 170 – 200 м/мин. Также были проведены испытания по обработке нерж. сталей на 5ти координатном обрабатывающем центре Mazak Vortex 815II. На нержавеющей стали были испытаны инструменты от Seco, Ignersoll, Kennametal и Sandvik. В результате были достигнуты скорости резания в диапазоне 130200 м/мин для плунжерной обработки.
Многие современные станки способны работать на таких высоких режимах. Для обработки специальных сталей и сплавов функция контролера, позволяющая предварительно просматривать программу, не является столь важной как при обработке алюминия, поскольку скорости не так высоки. Характеристика, наиболее важная для функционирования станка в этом случае, – это способность проводить мониторинг нагрузки на шпиндели и оси и соответственно корректировать возникающие деформации или другие отклонения. Оборудование, получая электрический сигнал обратной связи от сервоприводов, подстраивает скорость для соответствия условиям обработки, в том числе – даже остановки станка и смены инструмента если необходимо.
Реализация принципов ВСО позволяет достичь нового уровня качества, исключая некоторые технологические операции, т.е. еще и исключить возможность возникновения дефектов на исключаемых операциях. Требования, необходимые для реализации ВСО, например, равномерность срезаемого слоя или мониторинг усилий резаний на шпинделе привели к дальнейшей интеллектуализации и автоматизации обработки. Подобная интеллектуализация обработки приводит к увеличению роли знаний персонала и увеличения значения консолидации, хранения и организации применения созданных материальных ценностей (программ технологий, сертификатов и т.д.).
К.Л. РазумовРаздолов
ООО «Русэлпром»
email: rrkl@ruselprom.ru
"