При выборе режима резания на станке с ЧПУ нужно учитывать ряд требований, которые часто противоречат друг другу. Например, невозможно увеличить производительность станка (объем снимаемого материала в единицу времени) и одновременно повысить качество поверхности. Но, отказавшись от больших подач при увеличении скорости режущего инструмента, можно выйти на такой режим, когда скорость съема материала остается высокой, поверхность становится значительно чище и наблюдается снижение энергозатрат.
Появление шпинделей с частотой вращения 20, 40 и даже 60 тыс. об/мин дало возможность разработать стратегии высокоскоростной обработки (ВСО). Практическая польза их внедрения — повышение эффективности использования станочного оборудования.
Что такое ВСО?
Исследования в области высокоскоростной обработки были начаты на заводах Круппа (Германия) в 30-х годах XX века. Одним из инженеров компании, Карлом Соломоном, была установлена зависимость силы от скорости резания для разных материалов. Результаты его исследований были положены в основу современной высокоскоростной ЧПУ обработки. На графиках зависимости (кривых Соломона) в некоторых областях скоростей наблюдается снижение усилий резания. Оно сопровождается перераспределением температур: нагреву подвергается только стружка, а обрабатываемая заготовка и инструмент остаются «холодными».
Изменение распределения тепла положительно сказалось на качестве обрабатываемой детали. Снизилось количество прижогов на поверхности, увеличилась стойкость режущей кромки фрез. Кроме того, появилась возможность обрабатывать детали без применения СОЖ: достаточно удалять стружку воздухом из зоны резания.
К организации ВСО сформулирован ряд технологических требований:
- высокая скорость вращения шпинделя;
- большие линейные подачи;
- малый шаг;
- малая глубина врезания;
- минимально возможная толщина стружки.
Как это выглядит на практике? Любая CAM-система, в которой есть алгоритм расчета машинного времени, покажет, что высокоскоростная обработка проходит в 1,5 – 3 раза быстрее обычной. При этом количество проходов и снимаемых слоев возрастает в несколько раз.
Однако основные преимущества ВСО заключаются не в сокращении машинного времени, а в повышении качества поверхности и в возможности обработки материалов с высокой твердостью, например, высокоскоростная обработка металлов, закаленных сталей.
Какие требования предъявляются к станкам?
Для реализации режимов высокоскоростной обработки станки с ЧПУ и сами системы управления должны соответствовать ряду требований.
Высокоскоростной шпиндель
Некоторые известные производители приводной механики для станков с ЧПУ классифицируют свои шпиндели как силовые, средние и скоростные. В их характеристиках можно наблюдать следующую закономерность: чем выше частота вращения, тем ниже мощность и максимальный крутящий момент.
Шпиндельный узел является главным источником тепловыделения в станке. В зависимости от обрабатываемого материала частота вращения патрона может достигать 40 и более тысяч оборотов в минуту, а скорость перемещения на рабочем ходу — от 40 до 60 м/мин. Работа с переменной продолжительностью включений вызывает температурные деформации шпинделя и несущих конструкций, что отрицательно сказывается на качестве обрабатываемых деталей. Поэтому для станка обязательно наличие эффективных систем охлаждения узла и компенсации температурных деформаций. Высокие требования предъявляются к жесткости, устойчивости и виброактивности.
Режущий инструмент и оснастка
Среди самых важных требований к режущему инструменту и оснастке можно выделить качество балансировки (динамического уравновешивания) и точность установки (отсутствие биений при вращении). Чем хуже эти показатели, тем выше будет вибрация станка и на рабочих, и на холостых перемещениях.
Производители режущего инструмента для повышения производительности станков предлагают специализированные фрезы для ВСО с рекомендациями по режимам резания. Их рабочие части (напайки) изготавливают преимущественно из твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Часто режущий инструмент делают монолитным. За последние два десятилетия технологии производства твердых сплавов изменились. Современные материалы состоят из мелкодисперсных карбидов и отличаются от предшественников лучшей устойчивостью к образованию трещин и сколов.
Для обработки закаленных сталей, в том числе легированных используют режущий инструмент из эльбора (нитрида бора кубического). По твердости этот материал практически не уступает алмазу и значительно превосходит его по устойчивости к высоким температурам. Для повышения износостойкости и термостабильности на режущий инструмент наносят антифрикционные покрытия (нитрид, карбид или цианид титана).
Условия охлаждения зоны резания
Благодаря тому, что при высокоскоростной обработке скорость резания превышает скорость передачи тепла, большая его часть сконцентрирована в стружке, и чтобы предотвратить перегрев инструмента, нужно организовать ее быстрое отведение. Это можно сделать потоком СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) или сжатым воздухом. Как показывает практика, второй способ оказывается более эффективным и щадящим по отношению к режущей кромке. При жидкостном охлаждении на поверхности фрезы наблюдаются циклические перепады температур, что приводит к образованию сколов.
Особенности управляющей программы
Программирование высокоскоростной обработки имеет свои особенности. При выборе стратегии нужно пользоваться тремя правилами:
- Малое сечение среза и высокие подачи. Разницу между традиционной и высокоскоростной обработкой лучше всего можно представить на примере фрезерования шпоночного паза. Классический вариант предполагал проход фрезой с диаметром, равным ширине паза. При задании траектории движения на ВСО нужно увеличить число проходов и снизить шаг. Для этого нужно взять фрезу меньшего диаметра и задать ей трохоидальную траекторию движения. Еще один способ увеличения стойкости инструмента заключается в фрезеровании по спирали вместо сверления. Врезка в обоих случаях должна выполняться по той же траектории, что и последующая обработка. При фрезеровании более сложных форм фреза совершает сложные квазитрохоидальные движения.
- Плавные траектории. При составлении программы обработки нужно стараться избегать резких изменений направления движения. Для снижения динамических нагрузок на крутых поворотах фрезу приходится притормаживать, при этом происходит ее врезание в поверхность, от чего на ней остаются характерные неровности.
- Равномерная нагрузка на инструмент. Для повышения стойкости режущего инструмента при высоких скоростях вращения шпинделя следует избегать строчной обработки — последовательных врезаний и выходов фрезы. Необходимо найти такую стратегию, чтобы фреза врезалась один раз и вышла по окончании обработки. Для равномерной нагрузки необходимо сохранять постоянное пятно контакта между инструментом и заготовкой. С этой целью для обработки внутренних скруглений следует применять фрезы с меньшими диаметрами. Еще оно следствие из этого правила — управляющая программа должна обеспечить равномерный припуск перед чистовыми проходами.
При соблюдении всех вышеперечисленных правил текст управляющей программы для ВСО окажется в десятки или сотни раз больше, чем для традиционной обработки. Это выдвигает ряд требований к CAM-системе и стойке станка высокоскоростной обработки с ЧПУ. CAM-система должна автоматически назначать врезку по дуге, рассчитывать траектории перемещения. В противном случае затраты времени на написание управляющей программы вручную сведет на нет прирост производительности станка.
Объем оперативной памяти у стойки ЧПУ также должен соответствовать размеру программы. Повышаются требования и к другим аппаратным возможностям. Стойка должна «заглядывать» в программу на 100-200 шагов вперед, чтобы вовремя притормозить инструмент перед изменением траектории, а затем вновь разогнать его.
Технологи абсолютного большинства предприятий, освоивших высокоскоростную обработку, дают положительную оценку технологии, отмечают рост производительности и повышение качества продукции. Высокоскоростная обработка позволила многим из них отказаться от финишных ручных операций.
