Одним из современных и важных направлений в машиностроении является высокоскоростная обработка (ВСО) - Hight speed Machinig (HSM).
Основной принцип ВСО – малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания.
Теоретическим обоснованием высокоскоростной обработки (ВСО) являются так называемые кривые Соломона, которые показывают снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей.
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.
Есть даже такая рекомендация, что глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы. Имея возможность вести лезвийную обработку закаленных сталей можно обеспечить качество поверхности соизмеримое с электроэрозионной обработкой. Главный эффект ВСО не уменьшение машинного времени за счет интенсификации режимов резания, а повышение качества обработки и эффективное использование современных станков с ЧПУ.
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.
Станок
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. Станки отрабатывают малые перемещения от 5 до 20 мкм, имеют повышенную жесткость и температурную компенсацию. Именно прогресс в области станкостроения позволил осуществить ВСО.
Система с ЧПУ
Ограничителем ВСО может стать система ЧПУ, если она не имеет высокой скорости обработки кадров (то есть устаревшие компьютеры). Использование более современных компьютеров, с современными интерфейсами (Ethernet, USB) , позволит ускорить скорость отработки кадров.
Шпиндель
Высокоскоростной шпиндель накладывает определенные ограничения на процесс обработки.
Рассмотрим разные шпиндели:
Силовой шпиндель: 15 000 об/мин, конус 50, мощность 45 квт, максимальный крутящий момент 400 Нм на 1000 об/мин, диаметр 100 мм.
Средний шпиндель: 24 000 об/мин, конус 40, мощность 20 квт, момент 75 Нм на 3 000 об/мин, диаметр 70 мм.
Скоростной шпиндель: 40 000 об/мин, конус 30, мощность 12 квт, момент 48Нм на 30 000 об/мин, диаметр 45мм.
Как видим с ростом скорости вращения падает мощность и крутящий момент, уменьшается диаметр. Уже сам этот факт заставляет переходить от силовых режимов к более щадящим скоростным режимам резания. Это совсем не означает, что мы должны использовать эти станки только для чистовой обработки. Просто черновая обработка, где надо снять большой объем материала, должна выполняться с уменьшенными сечениями среза, снимаемыми с более высокой скоростью.
Режущий и вспомогательный инструмент
Следующий фактор – режущий и вспомогательный инструмент. 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. Биение инструмента сильно влияет на износ. Это подтверждают данные экспериментов из графика на зависимости износа от биения инструмента, где видна практически линейная зависимость износа от биения при высоких скоростях резания. Таким образом, ВСО требует особого внимания к балансировке инструмента. Для этого могут использоваться специальные патроны с возможностью балансировки или балансированные оправки для термозажима. Специально для высокоскоростной обработки спроектированы конусы HSK, которыеобеспечивают более высокую жесткость зажима.
Условия обработки
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. Все что мы перечислили выше, относится к технической стороне ВСО.
CAM-система
Приобретение станка и инструмента и организация контроля качества наладки инструмента и станка является первым шагом к ВСО. Следующий шаг связан с «know-how» ВСО и возможностями САМ системы и здесь технологу придется изменить свой подход к программированию обработки. По сути, это достаточно простые правила, которые должен выполнять технолог при составлении программ обработки и наличие САМ-систем, которые поддерживают эти правила.
Режем тонко, но быстро
Первое правило ВСО – малые сечения среза, снимаемые с большой скоростью. Мы уже упоминали, что это основа высокоскоростной обработки и реализуется простым заданием малых шагов между проходами, кроме случаев врезания, когда идет проход полной шириной фрезы. Такие случаи надо исключать и достигается это использованием трохоидальной обработки, когда фреза движется в процессе врезания по окружности, в конечном счете, осуществляя врезание. Идеально, когда САМ система сама строит трохоиду в местах, где надо осуществить врезание.
Такая стратегия используется и при формировании пазов, которые ранее обрабатывались одним ходом фрезы того же диаметра, что ширина паза. Короткие прикрепленные клипы хорошо иллюстрируют эту технологию.
Когда ВСО используется для обработки сразу из закаленной заготовки и деталь имеет отверстия, их обработка сверлением представляет собой определенную проблему, вследствие низкой стойкости сверл. В этом случае эффективным способом может быть спиральная расфрезеровка отверстий. Причем, как показывает практика этот метод, как по производительности, так и по стойкости инструмента превосходит сверление. Как результат выполнения этого правила нужно быть готовым, что объем программ для ВСО значительно превосходит объемы традиционных программ силового резания и, как было отмечено выше, системы ЧПУ должны иметь возможность быстро обрабатывать программы составляющие десятки мегабайт. Большие объемы программ требую соответственно больших затрат времени на расчет траектории и здесь на первый план выходит скорость расчета которую обеспечит САМ система. При разработке своей системы фирма SPRUTCAM уделяла этому особое внимание и на сегодняшний день она явный лидер по времени расчета и пересчета программ.
Борьба с углами
Второе правило ВСО – гладкая траектория инструмента. Оно вытекает из необходимости снижения динамических нагрузок во время резкой смены направления движения инструмента. Надо максимально возможно исключить углы на траектории. В углах, где инструмент меняет направление, он вынужден остановиться, снижение нагрузки в этот момент вызывает врезание фрезы в тело детали и как следствие на поверхности детали остаются следы, которые видно на рисунке. Создание гладких траекторий - это функция САМ системы, например, PowerMILL для создания гладких траекторий реализует тот же алгоритм сглаживания, который выполняет гонщик, проходя крутые виражи.
Равномерная нагрузка
Третье правило ВСО – равномерная нагрузка на инструмент. Традиционная строчная обработка, состоящая из многочисленных ходов врезания и выходов инструмента, даже если это сглаженные входы по дуге, не может быть признана оптимальной для ВСО. Предпочтение должно отдаваться спиральным стратегиям, где инструмент однажды врезавшись, сохраняет непрерывный и равномерный контакт с заготовкой или стратегиям эквидистантного смещения контура, которые сохраняют контакт инструмента с заготовкой длительное время с одним заходом и выходом.
Это же правило равномерных нагрузок диктует технику обработки внутренних скруглений. При ВСО надо стремиться исключать обработку фрезами с радиусами равными радиусам скругления на детали.
Как видно из рис, в местах скруглений это вызывает резкое увеличение сечения среза и соответственно нагрузки на инструмент, и если он будет ломаться, наверняка он будет ломаться именно в этих местах. Правда это заставит моделировать все радиусы скругления на компьютерной модели, тогда как раньше часто, экономя время, радиусы не моделировались, а формировались геометрией фрезы. Отсюда одним из требований к системам моделирования должно быть требование легкого и надежного моделирования радиусов скругления.
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 обработки. - 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.
Отметим положительный фактор, что ВСО заставила обратить внимание на качество траектории инструмента. Внедрение новых подходов и стратегий, разработанных для ВСО, в обычную обработку естественным образом благоприятно скажется на качестве обработки и уменьшит вероятность поломки инструмента. Освоение технологий высокоскоростной обработки позволит вести обработку с таким качеством, которое может исключить финишные операции ручной полировки.
В заключение можно сказать, что успех внедрения ВСО находится в руках технолога-программиста, хорошо владеющего САМ системой, ведь сложность программ для ВСО значительно больше, чем при традиционной обработке, хотя бы потому, что инструмент делает большее число ходов и требует специальных технологий подвода-отвода, обхода углов и сглаживания нагрузки на инструмент, и кроме того повышенная производительность станков требует ускорения подготовки программ.
