Совершенствование высокоскоростной обработки

Применение ВСО: алюминий, композиты, закаленная сталь

Основные материалы и отрасли

Высокоскоростная обработка нашла широкое применение для целого ряда материалов. Скажу прямо — это не просто модная технология, а реальный инструмент повышения эффективности производства.

Алюминий, медь, графит, закаленная сталь — вот основной перечень. Но технология применима и для композитных материалов, и для твердых металлических сплавов.

Где это востребовано? В аэрокосмической промышленности, автомобильной отрасли, медицинском оборудовании, производстве оснастки. Список можно продолжать.

Дискуссия о преимуществах

До сих пор ведутся споры о главном эффекте ВСО. Одни утверждают: снижение времени цикла обработки. Другие настаивают: повышение качества и точности поверхностей.

Проблема в том, что первое не всегда оправдано стоимостью мероприятий по организации процесса. Это факт.

Но если посмотреть шире? Плавные траектории движения инструмента, отвод тепла в стружку, более эффективное использование станков с ЧПУ, качество поверхностей после лезвийной обработки, сравнимое со шлифованием — все это вместе дает новые потребительские свойства и экономию.

Принцип прост: делать с первого раза оптимально. Звучит убедительно, правда?

Критерии и определение высокоскоростной обработки

Разные подходы к определению

Специалисты по-разному определяют понятие высокоскоростной обработки. Самое простое — обработка при скорости вращения шпинделя более 10 000 об/мин.

Но производитель инструмента смотрит иначе — для него важнее скорость резания. А производитель обрабатывающих центров? Для них ключевое — способность CNC контроллера просматривать больший блок программы.

Вот в чем загвоздка.

Известно одно: технология ВСО стремится использовать высокие скорости вращения и подачи при небольших усилиях резания. Классическая обработка работает по-другому — обычная подача, большая глубина резания, высокое усилие.

Некоторые обрабатывающие центры работают со скоростью до 30 000 об/мин и мощностью системы подачи до 30 л.с. (22,4 кВт). Впечатляет?

Классификация шпинделей по мощности и скорости

Три группы шпинделей

Условно шпиндели для ВСО можно разделить на три группы:

Закономерность простая: чем выше обороты, тем меньше мощность и диаметр инструмента. Это логично.

Пять критериев описания процесса

При определении ВСО правильнее рассматривать не только скорость шпинделя, но и весь динамический процесс обработки.

Для описания процесса ВСО используют 5 критериев:

1. Скорость шпинделя
2. Мощность шпинделя
3. Скорость подачи инструмента
4. Значения ускорений и замедлений рабочих перемещений
5. Степень точности перемещений

Последние три критерия определяют динамический отклик станка и эффективность при обработке алюминиевых сплавов.

Но есть нюанс: динамика перемещения заготовки зависит также от массы заготовки, когда рабочий стол станка подвижен. Не всегда об этом помнят.

Динамические параметры для тонких и толстых деталей

Классификация авиационных деталей

Для аэрокосмической промышленности появилась следующая классификация деталей самолетов — на две широкие категории: «тонколистовые» и «толстолистовые».

Для деталей толщиной до 50 мм ВСО определяется так:

• ★ скорость шпинделя — 30 000 об/мин
• ★ мощность шпинделя — до 80 л.с. (60 кВт)

Для деталей из толстого листа более 50 мм:

• ★ скорость — 18 000 об/мин
• ★ мощность — 135 л.с. (100 кВт)

Динамические параметры на самом деле не отличаются для обработки толстого или тонкого листа. Ускорение/замедление должно быть около 0,5 g.

Важно обеспечить как можно более быструю подачу (не обработку), по крайней мере 38 м/мин.

Ускорение/замедление значительно влияет на время обработки детали со сложной поверхностью. Там инструменту нужно делать много изменений траектории, связанных с увеличением припуска и изменением подачи.

Скорость подачи и сокращение паразитного времени

Паразитное время в цикле обработки

Подача значительно влияет на время обработки, особенно на паразитное время. Оно может составлять до 20% всего цикла при обработке алюминия.

Что включает паразитное время? По мнению американских специалистов:

• → позиционирование инструмента для новой обработки
• → перемещение для замены инструмента

Достижение высоких скоростей замены инструмента и позиционирования шпинделя в сочетании с высоким ускорением/замедлением — вот основные требования для современного обрабатывающего центра, ориентированного на ВСО легких сплавов.

Некоторые образцы ОЦ имеют скорости позиционирования до 100 м/мин. Особенно эти показатели актуальны для обработки крупногабаритных деталей.

Модели подобного оборудования разработаны MAG Cincinnati серии HyperMach.

Рис. 1. Обрабатывающий центр для высокоскоростной обработки

Оптимальные параметры резания и глубина обработки

Небольшие сечения стружки

Вторая важная группа рекомендаций при ВСО — небольшие сечения стружки, определяемые подачей на зуб, и маленькая глубина резания.

Подача на зуб должна быть равномерной. В противном случае на инструмент начинают действовать перепады нагрузок при увеличении срезаемого припуска. Что это дает? Как правило, поломку инструмента.

Есть рекомендация: глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы.

Почему? Чем меньше глубина обработки при высокой скорости, тем меньше тепла передается детали и инструменту. Также возникает меньшая сила резания — деталь и станок испытывают меньшие нагрузки.

Стандартные методы обработки больших пазов с меньшей скоростью шпинделя — потенциальная причина повреждения (деформации) деталей из алюминия с небольшой толщиной.

Радиус фрезы должен быть меньше радиуса паза. Кроме того, меньшие усилия при резании означают меньшие требования по закреплению инструмента.

Биение инструмента и охлаждение зоны резания

Влияние вибраций и биений

Снижение сил резания привело к высокому влиянию на процесс обработки других факторов:

• ✓ биение инструмента
• ✓ вибрации
• ✓ инерционные процессы
• ✓ охлаждение зоны резания

При этих воздействиях возникают последствия, масштаб которых значительно отличается от традиционной обработки.

Биение инструмента в 0,005 мм приводит к вибрациям и сверхбыстрому износу инструмента на эту величину. Это серьезно.

Охлаждение: обдув вместо СОЖ

Примечательно: наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува.

Почему? 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. Это приводит к преждевременному выкрашиванию.

Постоянная тепловая нагрузка, даже на средних температурах, лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка. Запомните это.

Обработка закаленных сталей без отпуска

Обработка в термически обработанном состоянии

Другое интересное свойство ВСО — обработка сталей в термически обработанном состоянии.

Поверхность заготовки не успевает нагреваться, и отпуск поверхностного слоя не происходит. Это ключевое преимущество.

Если деталь после термообработки имеет деформации отверстий, традиционно эти деформации пытаются устранить сверлением.

Но есть более эффективный способ — спиральное фрезерование отверстий. По утверждениям некоторых авторов, такой способ приносит выигрыш и в качестве, и в производительности по сравнению со сверлением.

Чистовая обработка алюминия: максимальные скорости

Рекомендации по скоростным режимам

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.

Кроме того, рекомендуется ограничить диаметр используемого инструмента. Чем быстрее производится обработка, тем меньше из-за 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 25 мм и менее наиболее эффективен. Безусловно, с применением HSK конуса.

CNC контроллеры с предварительным просмотром

Важность функции предварительного просмотра

Другой ключевой критерий для ВСО — CNC контроллер и его способность управлять обработкой на высоких скоростях.

Контроллеры с возможностью предварительного просмотра кадров управляющей программы, определяющие текущую скорость и ускорение/замедление инструмента в зависимости от требуемых перемещений, считаются не менее важными, чем скорость шпинделя.

Стандартный предварительный просмотр на контроллерах составляет 60-80 блоков G-кода.

На сегодняшний день рекомендуются специальные контроллеры, разработанные для ВСО, способные просматривать предварительно от 150 до 180 блоков. Например, Super GL4 компании Makino.

Для той же геометрии обработки они на 15-30% быстрее предшественников.

Функция изменения скорости

Специально для функции предварительного просмотра появилась опция «Изменение скорости пропорционально изменению направления».

Используя алгоритм «ускорение до интерполяции», объединенный с полным просмотром до 80 блоков, эта опция обеспечивает контур обхода без риска нарушения запрограммированного пути.

Проще говоря: функция производит предварительный просмотр во время исполнения и поддерживает максимальную скорость для любого изменения направления. Если изменение незначительно, скорость изменяется незначительно.

Высокоскоростная обработка композитов

Особенности обработки композитных материалов

В то время как ВСО для алюминия считается стандартной технологией, применение для других материалов представляет сложности.

Это относится и к композитным материалам. Наслаивание может создать полость для доступа в обшивке крыла, но только с точностью +/- 0,5 мм. Поэтому требования по точности к сопрягающимся частям, соединениям и сборкам требуют дополнительной обработки.

Считается, что ВСО композитов требует меньше мощности резания и силы резания, чем для алюминия.

Станок не должен быть массивным, как для обработки алюминия, но должен иметь достаточный вес для предотвращения 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. Обработка материала с припуском 0,3-0,4 мм осуществляется на станке со скоростью шпинделя 24 000 об/мин.

Рис. 2. Высокоскоростная обработка композитных материалов

Специализированное оборудование для композитов

Обрабатывающие центры, изначально разработанные для обработки металлов, сейчас используются для композитов.

Требования к такому оборудованию несколько иные, что, возможно, послужит причиной создания более легкого и специально разработанного класса станков для обработки композитов.

Такие машины найдут широкое применение:

• ☑ аэрокосмическая отрасль
• ☑ энергетическая промышленность
• ☑ электротехническая промышленность
• ☑ производство специальных изоляционных деталей

Детали в этих отраслях будут иметь большие габариты и при этом жесткие допуски на обработку.

Чтобы удовлетворить потребности в оборудовании для обработки длинных тонких деталей с множеством изгибов, MAG Cincinnati разработала специальный фрезерный станок.

Адаптируемый к алюминию или композиту, он обеспечивает:

• → рабочая зона 4 × 2,4 м
• → скорость шпинделя 24 000 об/мин
• → набор из 112 инструментов диаметром не более 25 мм
• → детали длиной до 12 м

Особенности обработки титана и жаропрочных сплавов

Различия в подходах к обработке

Все выигрывают от применения ВСО, особенно для обработки алюминия и композитов. Поэтому технология применяется и для более твердых материалов.

Титан, области применения которого расширяются, — один из таких металлов.

Станки для обработки алюминия похожи на гоночную машину Формулы-1. Станки для обработки 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.

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 классическому процессу. Обработка на низкой скорости с большой глубиной резания вызывает большие усилия, деформирует деталь, отжимает режущий инструмент.

Трудности обработки титана

Низкая теплопроводность титана и высокий модуль упругости в сочетании с твердостью делают его трудным для обработки.

При обработке титана важны усилия резания и динамическая жесткость системы. Эти параметры определяют величину скорости резания 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.

Инструментальные материалы для ВСО

Специализированный инструмент

Конструкция режущего инструмента определяет возможность фрезерования. 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

Эти материалы имеют более высокую стоимость, чем обычные. Однако многие потребители готовы нести подобные расходы, применяя технологию ВСО.

Параметры обработки титана

Учитывая особенности титана, одно из последних предложений на рынке — твердосплавный инструмент, работающий на скорости 130 м/мин.

Диаметр составляет 25,4 мм с максимальным количеством зубьев. Обработка возможна на оборотах 1500 об/мин и скорости подачи 2,5 м/мин. Это очень скоростная обработка для титана.

Для других труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочные и нержавеющие стали, также возможно применение и развитие технологии ВСО в ближайшем будущем.

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 нержавеющих сталей на 5-координатном обрабатывающем центре Mazak Vortex 815II.

Испытаны инструменты от Seco, Ingersoll, Kennametal и Sandvik. Достигнуты скорости резания в диапазоне 130-200 м/мин для плунжерной обработки.

Мониторинг нагрузки

Многие современные станки способны работать на таких высоких режимах.

Для обработки специальных сталей и сплавов функция контроллера, позволяющая предварительно просматривать программу, не столь важна, как при обработке алюминия. Скорости не так высоки.

Наиболее важная характеристика — 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. Вплоть до остановки станка и смены инструмента, если необходимо.

Интеллектуализация и автоматизация процессов

Новый уровень качества

Реализация принципов ВСО позволяет достичь нового уровня качества, исключая некоторые технологические операции. А значит — исключить возможность возникновения дефектов на исключаемых операциях.

Требования, необходимые для реализации ВСО (равномерность срезаемого слоя, мониторинг усилий резания на шпинделе), привели к дальнейшей интеллектуализации и автоматизации обработки.

Подобная интеллектуализация увеличивает роль знаний персонала. Возрастает значение консолидации, хранения и организации применения созданных материальных ценностей: программ технологий, сертификатов и т.д.

Что имеем в итоге? Высокоскоростная обработка — это не просто технология, а комплексный подход к производству, требующий современного оборудования, квалифицированных кадров и системного мышления.

Будущее за теми, кто освоит эти принципы сегодня.

К.Л. Разумов-Раздолов
ООО «Русэлпром»
email: rrkl@ruselprom.ru