cncmotors.ru/catalog/cangi/О высокоскоростной обработке много говорят, но мало кто объясняет, что это такое, и еще меньше людей реально представляют, как к ней подступиться. Рассмотрим обычную ситуацию: вы приобертает новый станок со шпинделем на 12-25 тыс. оборотов в минуту, а также дорогой инструмент от Sandvik Coromant или Mitsubishi Carbide, устанавливаете режимы резанияпо рекомендации каталогах фирмы, и… инструмент ломается.

Это результат того, что вы, услышав о высоком качестве поверхности при высокоскоростной обработке, пытаетесь вновь и вновь достичь подобного качества и не получаете желаемого. В этом случае возникает сомнение: а требуется ли тратить большие суммы на станок и инструмент. Возможно, вы что-то упустили. И здесь вам нужна консультация.

Эта статья написана с применением опыта специалистов Delcam plc в области высокоскоростной обработки.

Delcam plc стояла у истоков развития высокоскоростной обработки (ВСО). Компания   совместно с крупными станкостроительными фирмами и научными центрами принимала участие в проекте ЕС по исследованию ВСО.

Кроме того, она одной из первых использовала эту технологию в собственном производстве при изготовлении пресс форм и штампов. В результате появилась новая стратегия и новые модули в известной системе PowerMILL, которая давно и успешно используется в инструментальном производстве.

Итак — ВСО. Теоретическим обоснованием высокоскоростной обработки являются так называемые кривые Соломона (рис. 1). Они показывают снижение сил резания в определенном диапазоне скоростей. Но наиболее важный фактор это перераспределение тепла в зоне резания. Если сеченияя среза в данном диапазоне скоростей небольшие, основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку.

Благодаря этому производится обработка закаленных сталей, без опасения за отпуск поверхностного слоя.
Отсюда следует основной принцип ВСО: малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокиеобороты шпинделя и высокая минутная подача (рис. 2).


Существует рекомендация: глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы. Но с появлением новых многозубых фрез для черновой обработки закаленных сталей компании-изготовители инструментов совеитуют сохранить традиционные глубины резания при сохранении малых шагов (рис 3).

Рис.3 Высокоскоростная обработка

В этом случае можно говорить о тонких сечениях среза. Если вы ведете лезвийную обработку закаленных сталей, качество поверхности будет на том же уровне, что и при  электроэрозионной обработкой. Таким образом, структура производственного процесса изготовления формообразующих элементов пресс форм и штампов (рис. 4) пересматривается.

Главный эффект ВСО это не сокращение машинного времени с помощью интенсификации режимов резания. Главный эффект ВСО — в общем упрощении производственного процесса и в повышении качества обработки. Условием успеха в высокоскоростной обработке будет правильный выбор всех составных элементов процесса: станка, системы ЧПУ, режущего инструмента, вспомогательного инструмента с системой закрепления инструмента (цанги), системы программирования, квалификации технолога-программиста и оператора станка с ЧПУ. Каждый из этих элементов не менее важен, чем остальные.

Рис. 4 Упрощение производственного процесса изготовления формообразующих элементов оснастки (пресс-формы, штампы) при использовании ВСО.

Скорость вращения шпинделя в современном станке для ВСО составляет 12-25 тыс. оборотов в минуту и оснащен средствами температурной стабилизации шпинделя. Есть также станки со скоростью вращения шпинделя до 40 тыс. оборотов в минуту.
Скорости подач 40-60 м/мин, скорость быстрых перемещений — до 90 м/мин. Станки отрабатывают малые перемещения (от 5 до 20 мкм) и обладают повышенной жесткостью и температурной компенсацией.

Благодаря прогрессц в области станкостроения ВСО воплотили в жизнь. Ограничителем ВСО может стать система ЧПУ, в том случае, если у нее нет высокой скорости обработки кадров. Для достижения высокого качества поверхности программа для ВСО содержит очень малые перемещения. Например, во время тестирования технологии высокоскоростной обработки в Delcam был замечен дефект в виде периодических следов остановки фрезы (рис. 5) на станке Matsuura MC 800VF (выпуска 90х годов) с системой ЧПУ Yasnac i80M.

Анализ программ (рис. 6) показал, что система ЧПУ не успевает отрабатывать кадры программы при заданной подаче. Максимальную подачу, которую способна обеспечить система ЧПУ, можно определить по формуле:
F max = (Длина перемещения в кадре) : (Время обработки кадра) х 60

Рис.5 Следы фрезы в местах остановки

Формула позволяет сделать вывод — при перемещениях 0,01 мм и времени обработки кадра 2 мс максимальная подача ограничена значением 0,3 м/мин. Перевод обработки на более современный станок Bridgeport устранил проблему. Современная система ЧПУ при зачистке должна быть запрограммирована с запасом скорости от 100 до 200 кадров в секунду, чтобы успеть сделать расчеты для торможения на подходе к углу и разгона после поворота.

Рис. 6. Траектория инструмента при зачистке

Режущий и вспомогательный инструмент

Следующий фактор — режущий и вспомогательный инструмент.
Основные компании-производители инструментов большой выбор фрез для ВСО с подробными рекомендациями по применению для разынх типов обработки и режимам резания. Ведется разработка новых мелкодисперсных сплавов, способных работать на высоких скоростях.

Обратите внимание на системы вспомогательного инструмента для крепления фрез. Снижение сил резания в процессе ВСО выводит на первый план другие аспекты: величина биения фрезы, вибрации. Например, если скорость резания удваивается, то увеличиваются центробежные силы. Это происходит из-за дисбаланса инструмента более чем в 4 раза, и эти силы становятся сравнимыми по величине с силами резания.

Биение инструмента сильно влияет на износ. Это подтверждают данные экспериментов (рис. 7). График показывает практически линейную зависимость износа от биения при высоких скоростях резания.

Рис.7 Влияние биения на износ инструмента

Таким образом, для ВСО требуется специальная балансировка инструмента. Для этого могут использоваться специальные патроны с возможностью балансировки или сбалансированные оправки для термозажима (как вариант – можно использовать цангу) (рис. 8).

Рис. 8. Оправки для термозажимов инструмента.

Для ВСО необходимо высокое качество обрабатываемой поверхности, значит подбор режимов резания с точки зрения нахождения зон, где отсутствуют вибрации должен проходить особенно тщательно.

Например, на рис. 9 показаны зоны вибрации с различным числом волн N между зубьями фрезы, зависящие от глубины и скорости. Практически для каждой комбинации СПИД (станок—приспособление—инструмент—деталь) необходимо найти зоны стабильности. Отработанных рекомендаций  нет, поэтому искать их придется экспериментальным путем непосредственно на станке. Наиболее склонны к вибрации коневые фрезы с нулевым ради усом скругления. Для уменьшения вибраций надо выбирать фрезы с закругленной режущей кромкой.

Интересный эффект увеличения стойкости инструмента при ВСО наблюдается при сравнении способов охлаждения (рис. 10). Как показывает график, использование обдува показывает наибольшую стойкость.Тепло собирается в стружке, поэтому ее надо быстро удалить из зоны резания. Низкая стойкость инструмента при охлаждении объясняется главным образом выкрашиванием. Выкрашивание объясняется циклическими термическими нагрузками на режущую кромку инструмента. Постоянная тепловая нагрузка, даже на относительно высоких температурах предпочтитетельнее по сравнению с меняющейся циклической нагрузкой.

Рис.9 Зоны вибрации при фрезеровании в зависимости от глубины резания и скорости резания.

Рис.10 Влияние методов охлаждения на износ инструментов

Все вышеперечисленное относится к технической стороне ВСО.

САМ система

Приобретение станка, инструмента и организация контроля качества наладки инструмента и станка — первые шаги по направлению к ВСО. Далее необходимо изучить  ноу хау ВСО и с возможности САМ системы.

В данном случае технолог должен пересмотреть свой  метод программирования обработки. Мы говорим простых правилах, требуемых каждому технологу для составлении программ обработки. Главное  — наличие САМ системы, которая бы эти правила поддерживала.

Резать тонко, но быстро.

Правило № 1 — малые сечения среза, снимаемые с большой скоростью.

В статье уже упоминалось, что малые сечения среза это основа ВСО. Для ее реализации необходимо задать малые шаги между проходами, за исключением случаев врезания, когда идет проход полной шириной фрезы. Это должно быть исключено с помощью трохоидальной обработки — в процессе врезания фреза движется по окружности (рис. 11).

Рис. 11 Трохоидальная обработка

Идеально, когда САМ система сама строит трохоиду в местах, где необходимо осуществить врезание (рис. 12).

Рис. 12 Трохоидальная обработа в местах врезания инструмента на полную ширину

Это также применимо при формировании пазов, если их ранее обрабатывали одним ходом фрезы того же диаметра, что и ширина паза (рис. 13). Когда ВСО используется для обработки сразу из закаленной заготовки деталей с отверстиями, то обработка сверлением затрудняется — вследствие низкой стойкости сверл. Спиральная расфрезеровка отверстий может стать эффективным способом . Практика показывает, что этот метод как по производительности, так и по стойкости инструмента превосходит сверление. На рис. 14-16 приведены примеры выполнения расфрезеровки в PowerMILL и данные по расфрезеровке отверстий в закаленной заготовке.

Рис.13. Обработка пазов с использованием трохоидальной стратегии

Следуя этому правилу, нужно быть готовым к тому, что объем программ для ВСО значительно превосходит объемы традиционных программ силового резания. Выше  уже упоминалось, что системы ЧПУ должны иметь возможность быстро обрабатывать программы объемом в десятки мегабайт. Большие объемы программ требуют соответственно больших затрат времени на расчет траектории. САМ система призвана обеспечивать скорость рассчета. При разработке системы PowerMILL в Delcam plc уделялость этому много училий внимание. Усилия оправдались — эта система сегодня признанный лидер в расчетах времени и пересчета программ.

Рис.14 Спиральная траектория при высокоскоростной расфрезеровке отверстия.

Рис. 15 Визуализация траектории расфрезеровки во ViewMILL

Рис. 16 Сравнение расфрезеровки и сверления отверстий в закаленной детали

Борьба с углами

Правило № 2 — гладкая траектория движения инструмента.
Это объясняется необходимостью снижения динамических нагрузок во время резкой смены направления движения инструмента.

Исключение углов на траектории должно быть максимальным из доступных. В углах, где инструмент меняет направление, он должен остановиться. В этот момент происходит снижение нагрузки, что вызывает врезание фрезы в тело детали (рис. 17).

На рис. 18 изображен результат исследования шероховатости в местах смены направления движения. След на детали достигает глубины 25 микрон при общей шероховатости 3 микрона!

Рис.17 След инструмента в углах траектории в момент изменения направления обработки.


Рис 18. Шероховатость поверхности вдоль и поперек следа

Рис.19 Траектория со смешением контура и сглаженная траектория для BCO

На рис. 19 показаны примеры традиционной траектории, построенной с помощью эквидистантного смещения исходного контура. Эта траектория неэффективна для высокоскоростной обработки и уступающей в данном случае сглаженной траектории. Такая траектория создается системой PowerMILL и реализует тот же алгоритм сглаживания, что и водитель гоночного автомобиля при прохождении крутых виражей (рис. 20).

Рис.20 Алгоритм сглаживания траектории в углах – «гоночная» траектория

Равномерная нагрузка

Правило № 3 — равномерная нагрузка на инструмент.

Традиционная строчная обработка, состоящая из многочисленных ходов врезания и выходов инструмента (даже если это сглаженные входы по дуге), не подходит для ВСО. Выбирайте спиральные стратегии. В этом случае инструмент, однажды врезавшись, непрерывно и равномерно соединяется с заготовкой (рис. 21), или стратегиям эквидистантного смещения контура. В последнем случае контакт инструмента с заготовкой, с одним заходом и выходом сохраняется длительное время.  (рис. 22).

Это же правило равномерных нагрузок обуславливает технику обработки внутренних скруглений. При ВСО необходимо исключать обработку фрезами с радиусами, равными радиусам скругления на детали. Как видно из рис. 23, в местах скруглений это вызывает

резкое увеличение сечения среза и соответственное повышение нагрузки на инструмент, и если он будет ломаться, то это наверняка будет происходить именно в указанных местах.

Рис. 21 Спиральная эквидистантная траектория

Рис. 22 Оптимизированная траектория: на пологих участках – эквидистантная, на крутых участках — послойная

Рис. 23 Обработка скруглений

Однако следует признать, что для этого придется перейти к моделированию всех радиусов скругления на компьютерной модели, по сравнению с ранним использованием геометрии фрезы для экономии времени.  Следовательно, одно из требований к системам моделирования — легкое и надежное моделирование радиусов скругления.

При получистовой обработке, когда снимаются ступени, оставшиеся после черновой обработки, эффективным инструментом сглаживания нагрузки на инструмент являются модули управления подачей.

В PowerMILL это модуль PS Optifeed, который в местах увеличения сечения среза на ступеньке уменьшает, а в местах малых сечений, напротив, увеличивает подачу инструмента (рис. 24).

Рис. 24 Оптимизация задачи в зависимости от сечения среза.

Таким образом, 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.

В заключение можно сказать, что успех внедрения ВСО целиком зависит от технолога программиста, хорошо владеющего САМ системой, поскольку сложность программ для ВСО значительно больше, чем при традиционной обработке, хотя бы потому, что инструмент здесь делает большее число ходов и требует специальных технологий подвода отвода, обхода углов и сглаживания нагрузки на инструмент, а кроме того, повышенная производительность станков требует ускорения подготовки программ. Отметим тот положительный момент, что ВСО заставила обратить внимание на качество траектории инструмента.

Рис. 25. Пример обработки вставки штампа горячей штамповки.

Полная обработка за один установ без полировки. Время обработки 95 мин. Размер вставки 300Ѕ145 мм, твердость 51 HRC, подача 5 м/мин, обороты шпинделя 35 тыс. об./мин. Самая малая фреза диаметром 2 мм.

Внедрение в обычную обработку новых подходов и стратегий, разработанных для ВСО, благоприятно скажется на качестве обработки и снизит вероятность поломки инструмента.

Рис. 26. Пример обработки графитового электрода.

Размер 350Ѕ200 мм, 9600 шестигранных отверстий с радиусом скругления 0,2 мм. Наружная поверхность обработана шаровой фрезой диаметром 10 мм, черновая обработка отверстий фрезой диаметром 1,5 мм и чистовая обработка отверстий фрезой диаметром 0,4 мм. Обороты шпинделя 45 тыс. об./мин, время обработки 34 ч.

Освоение технологий высокоскоростной обработки обеспечит такое качество обработки, которое позволит исключить финишные операции ручной полировки (рис. 25), а также даст возможность выполнять работы, которые при традиционных методах вызывали определенные проблемы (например, необходимость использовать большие вылеты инструмента для обработки высоких стенок — рис. 26).