ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ОБРАБОТКА: КЛЮЧ К ПОВЫШЕНИЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА

 

Высокоскоростная обработка (технология HSM) является инновационной технологией, предназначенной для сокращения времени изготовления изделия и повышения точности обрабатываемых деталей. Применение этой стратегии нацелено непосредственно на производственные расходы и время изготовления изделия. Конечным результатом является получение высококачественных обрабатываемых деталей, но что еще более важно, повышение производительности.

Суть технологии HSM заключается в применении значительно более высоких скоростей резания и больших подач для достижения исключительных результатов обработки, которые никогда ранее не достигались из-за ограничений оборудования, оснастки и инструмента. Очень тонкие стенки, очень гладкие поверхности и высокие скорости съема металла являются лишь некоторыми примерами характеристик, которые могут быть достигнуты при применении технологии HSM. Стратегия высокоскоростной обработки может быть применена не только к цветным металлам, а точнее, к алюминию, но даже и к закаленным заготовкам и материалам с особыми свойствами, что позволяет использовать ее в таких отраслях, как авиакосмическая промышленность, производство штампов и пресс-форм, миниатюрных деталей и в медицине.

Несмотря на то, что технология высокоскоростного резания известна давно, все еще имеется большая неясность в отношении ее определения. Карл Саломон в 1931 году предложил первое определение высокоскоростной обработки, связав ее с определенной скоростью резания, которая в 5…10 раз превышает скорость резания, применяемую при "обычной" обработке. Очевидно, что в условиях постоянно возрастающей скорости резания такое определение не может быть исчерпывающим и корректным. Сегодня нам известно, что технология HSM характеризуется не только обработкой с высокой частотой вращения шпинделя, но и целой стратегией, направленной на повышение производительности и экономию средств.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что повышенная локальная устойчивость процесса резания возникает тогда, когда частота импульсов врезания инструмента в материал (частота вращения, умноженная на количество зубьев режущего инструмента) больше собственной частоты колебаний самого нежесткого элемента технологической системы, как правило - инструмента. Это условие реализуется при высоких частотах вращения шпинделя, тем более при работе жестким инструментом и рассматривается как технология HSM.

Прогноз устойчивости системы зависит также от соотношения фаз между фазой врезания каждого зуба режущего инструмента и фазой собственных колебаний инструмента, сопровождающегося изменяемым припуском и углом врезания в процессе обработки. При одних соотношениях фаз последующие вибрации инструмента повышаются, а при других - они понижаются. Достижение положительного результата требует управления этим процессом.

Области применения

Высокоскоростная обработка наиболее эффективна в технологических производствах, где требуется быстрый съем металла - при производстве автомобильных деталей, небольших деталей компьютера или медицинского оборудования, изготовленного из алюминия.

При изготовлении крыльев и фюзеляжа самолета в авиакосмической промышленности обрабатываются длинные алюминиевые детали, имеющие тонкие стенки. При этом, несмотря на большие объемы удаляемого материала, предъявляются высокие требования по качеству обработки, удовлетворение которых достигается применением технологии HSM: больших скоростей резания до 1500…3000 м/мин. (обороты шпинделя до 15000…50000 об/мин.) в сочетании с большими подачами.

Отрасль производства штампов и пресс-форм является еще одной из областей применения технологии HSM для фрезерования, где требуются жесткие допуски, высокая точность и низкая шероховатость поверхности для твердых и мягких материалов, а также электродов, изготовленных из графита и меди, для отрасли производства электроэрозионных станков.

Высокоскоростное резание реализуется при использовании инструментов малого диаметра, при небольшой глубине резания с очень большой подачей при обработке штампов и пресс-форм, при этом канавки и сложные детали могут быть изготовлены путем фрезерования вместо использования электроэрозионной обработки. Кроме того, естественная зеркальная отделка поверхности, полученная при применении технологии HSM, позволяет устранить необходимость выполнения ручной полировки.

В таких областях применения требуется не только скорость, но также и устойчивый процесс резания, при котором будет возможно достижение высокой скорости. Стабилизация процесса резания включает вопросы по состоянию оборудования, инструментальной оснастки, инструмента, управления и программирования, которые отличаются от требований, предъявляемых к обычному резанию. В некоторых случаях этот процесс требует адаптации режимов работы станка на различных скоростях.

Что касается технических характеристик станка, то для достижения высокопроизводительной высокоскоростной обработки в различных областях применения требуется высокоскоростные станки, обладающие большой мощностью и жесткостью. Шпиндели станков должны быть высокоточными и иметь минимальное биение.

Инструмент и оснастка

Для высокоскоростной обработки цветных металлов компания ISCAR разработала марку твердого сплава IC08 - мелкозернистого карбида без покрытия. При этом для обработки алюминиевых сплавов было разработано специальное покрытие корпусов фрез со сменными пластинами с целью снижения налипания алюминия при высоких скоростях резания.

Кроме того, компания ISCAR разработала марку IC903, представляющую собой твердый сплав ультрамелкозернистого карбида с содержанием 12% кобальта и покрытием из TiAlN, нанесенным осаждением паров. Сплав обладает высокой износостойкостью и прочностью. Он предназначен для высокоскоростной обработки твердой стали (до 62 HRc), титана, сплавов на никелевой основе и нержавеющей стали. Конструкция этих инструментов имеет особую геометрическую форму и режущую кромку, предназначенную для высокоскоростной обработки. Кроме того, эти инструменты демонстрируют высокую прочность при ударном воздействии с высокой частотой, а также устойчивость к тепловому воздействию и термическому расширению.

Качественное базирование и закрепление инструмента является одним из ключевых условий обеспечения высокоскоростной обработки. Радиальное биение существенно влияет на точность и качество обработки. Полное радиальное биение (TIR) должно составлять максимум 10 микрон на режущей кромке. Каждые 10 микрон дополнительного радиального биения приводят к сокращению срока службы инструмента на 50 %. Даже если инструмент, патрон и шпиндель точно сбалансированы, все еще может быть несколько причин нарушения устойчивости. Одной из причин нарушения устойчивости может оказаться увеличенный зазор между патроном и базовой поверхностью шпинделя. Кроме того, увеличение зазора также может быть связано с наличием застрявшей стружки или грязи внутри конического отверстия на конце шпинделя. На практике для концевой фрезы, вращающейся с частотой 20000 об/мин., не требуется балансировки с точностью более 20 г·мм.

Для обеспечения максимальной точности компания ISCAR разработала систему SHRINKIN - термоусадочный цанговый зажимной патрон. В патронах SHRINKIN используется эффект термической усадки для получения надежного зажима твердосплавных концевых фрез. Новая система обеспечивает более высокие значения крутящего момента, точное радиальное биение и более высокую повторяемость. Цанговые патроны SHRINKIN имеют небольшие размеры и различный вылет, что позволяет пользователю обрабатывать более глубокие полости и выполнять фрезерование узких участков.

Компания ISCAR предлагает полную систему для легкосъемных цанговых патронов SHRINKIN, включая уникальную нагревательную установку с портативной нагревательной рукояткой. Данная установка оснащена самым современным блоком регулировки температуры, обеспечивающим его простое и практичное использование в обрабатывающем центре или инструментальном цеху.

Еще одной опцией для обеспечения высокой точности высокоскоростной обработки является система BALANCIN компании ISCAR - балансируемый цанговый патрон. Балансируемые цанговые патроны производства компании ISCAR обеспечивают ряд преимуществ, включая возможность прямого считывания с высокоточных колец серии BALANCIN для обеспечения точнейшей балансировки. Данная система предполагает использование простой процедуры балансировки, применяющейся во всех типах балансировочных машин. Дополнительными функциями являются возможность компенсации дисбаланса до 61 г·мм и выполнения как статической, так и динамической балансировки.

Другими параметрами, которые необходимо учитывать для обеспечения высокой точности высокоскоростной обработки, являются конструкция шпинделя, термическая устойчивость, направляющие перемещения, комплектующее оборудование, центробежное расширение, термическое расширение и вибрации.

Что касается вибраций, то они могут возникать в результате взаимодействия между инструментом и обрабатываемой деталью, приводя к дребезгу, или в результате центробежной силы, действующей на неуравновешенную массу узла инструмент-патрон. Контроль вибраций необходим не только для обеспечения точности и производительности процесса, но также и для контроля срока службы шпинделя и инструмента. Вибрация также является причиной низкого качества обработки поверхности, повреждения режущей кромки и появления раздражающих шумов.

Требования к оборудованию

Форма и точность изготавливаемой детали преимущественно определяется кинематическими характеристиками станка, а также статической, динамической и термической устойчивостью станочной системы. Кроме того, качество обработанной поверхности, которое должно быть достигнуто, зависит от геометрической формы режущей кромки, параметров обработки и динамических характеристик системы. Это означает, что только система, обладающая устойчивыми механическими характеристиками, будет обеспечивать максимальную производительность высокоскоростной обработки с течением времени.

Производительность может быть повышена путем использования линейных электродвигателей для координатного перемещения вместо вращающихся электродвигателей и шариковых винтовых пар. Линейный электродвигатель устраняет большое количество ошибок при осевом реверсировании или осевых зазоров, возникающих при реверсе, характерных для систем, в которых применяются вращающиеся электродвигатели или шариковые винтовые пары.

Тем не менее, извлечение максимальной выгоды из развивающейся технологии высокоскоростной обработки является возможным.

Заключение

Жесткая конкуренция на рынке требует быстрого развития технологий обработки и разработки новых решений. Высокоскоростная обработка является показательным примером того, насколько высокие скорости съема металла могут повысить производительность и в то же самое время сократить производственные затраты.

Несмотря на высокие требования, предъявляемые к обрабатывающим инструментам, высокоскоростная обработка дает ряд преимуществ. Она позволяет сократить время изготовления изделия и исключить некоторые дополнительные операции (такие как ручная доводка), при этом одновременно сохраняя точность. Несмотря на то, что технология HSM известна в течение длительного времени, в этой области все еще продолжаются исследования, целью которых является дальнейшее повышение качества и минимизация расходов.

 

ООО “ИСКАР СНГ”
129185, Москва, ул. Годовикова, д. 9, стр. 10.
Тел./Факс: +7 (495) 660-9125, 660 -9131 (многоканальный)
E-mail:  iscar@iscar.ru
http: www.iscar.ru