Высокоскоростное фрезерование в современном производстве

Высокоскоростное фрезерование в

современном производстве



Внедрение современных высокопроизводительныхстанков с ЧПУ невозможно без знания принципов высокоскоростноймеханической обработки (HSM – HighSpeed Machining) и сопутствующих её освоению проблем.Появление высокоскоростного резания за последниепять лет вызвало революционные изменения в методахмеханообработки. Решающим фактором в оценкепроцесса HSM-обработки является производительностьстанков, которая определяет эффективность производстваи, таким образом, время окупаемости инвестиций.

Сегодня в мировом станкостроении наблюдаетсяустойчивая тенденция создания станков, специальнопредназначенных для HSM-обработки. Достижения вобласти технологии изготовления режущего инструментапозволили эффективно применять HSM-обработкув различных отраслях. Чтобы удовлетворить специфическиепотребности в создании новых стратегийдвижения инструмента для HSM, технология CAMтакже вынуждена бурно развиваться.

Механообработка вообще и HSM в частности являютсяодним из заключительных этапов создания изделия.Ей предшествует ряд этапов конструкторско-технологическойподготовки производства, на каждом изкоторых принимаются решения и формируются данные,прямо или косвенно влияющие на качество конкретныхдеталей изделия. В нашем случае – на точность ишероховатость поверхностей, а также на время обработки.Факторы, влияющие на качество, и критериикачества зачастую взаимосвязаны и взаимообусловлены,поэтому лишь знания и опыт позволят добиватьсятребуемого результата и не ждать сюрпризов.

Хотя HSM относится к числу наиболее прогрессивныхи быстро развивающихся технологий, этот видобработки резанием является относительно новымтехнологическим процессом, и опыт его применения вРоссии весьма ограничен. Эта статья открывает сериюпубликаций, в которых разъясняется технология HSM,рассматриваются специфические требования, предъявляемыек станкам, системам ЧПУ, режущему инструменту,инструментальной оснастке. Подробно будутрассмотрены вопросы, касающиеся выбора режимоврезания, методов создания траекторий движения режущегоинструмента для станков с ЧПУ. На основе результатовреальных экспериментов будут приведены рекомендациипо выбору методов разработки управляющих программ(УП) для высокоскоростного фрезерования с учетомобеспечения стойкости режущего инструмента.



Что такое HSM?



HSM-обработка – одна из современных технологий,которая, по сравнению с обычным резанием, позволяетувеличить эффективность, точность и качество механообработки.Её отличительной особенностью являетсявысокая скорость резания, при которой значительно увеличиваетсятемпература в зоне образования стружки.В результате материал обрабатываемой детали становитсямягче, и силы резания уменьшаются, что позволяетинструменту двигаться с большой рабочей подачей.

Первое официальное объяснение HSM было предложеноКарлом Соломоном в 1931 году. Он предположил,что при высокой скорости резания (в несколько раз выше,чем при обычной механообработке) теплопередача отстружки к инструменту становится меньше. Даже сегодняневозможно в полной мере проверить эту теорию, и мыможем опираться только на результаты недавно осуществленныхэкспериментов и материалы конференций поHSM, регулярно проводимых за рубежом.

Эффект HSM обуславливается структурными изменениямиматериала (из-за пластических деформаций,осуществляемых с большой скоростью) в месте отрывастружки. Силы резания при повышении скоростидеформаций сначала растут, а потом, при достижении определеннойтемпературы в зоне образования стружки, вдругначинают существенно снижаться. Самое замечательное,что время контакта режущей кромки с заготовкой истружкой так мало, а скорость отрыва стружки стольвысока, что большая часть тепла, образующегося в зонерезания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка иинструмент просто не успевают нагреваться. Данныйэффект известен давно, поэтому в прошлом станочникииногда предварительно нагревали трудно обрабатываемыезаготовки (например, из титанового сплава).

Формирование стружки – наиболее важный аспектHSM. Как известно, во время формирования стружки80% тепла образуется в зоне механической деформацииматериала, 18% – в зоне контакта стружка-инструменти 2% – в зоне трения режущей кромки инструмента оматериал. Как же происходит процесс теплообмена взоне резания при HSM? Исследования, проведенныево время HSM-обработки с правильно подобраннымипараметрами, показали, что 75% произведенного теплаотводится со стружкой, 20% – через инструмент и 5% –через обрабатываемую деталь (рис.1). Отсюда следуетодин из наиболее важных принципов теории HSM-обработки:наибольшее количество произведенного тепла отводится вместе со стружкой.

Но HSM – это не просто механообработка с высокойскоростью резания. Это процесс, когда операции обработки(от черновой до финишной, и далее – до суперфинишной)выполняются очень специфическими методамина специальном оборудовании. Наиболее полно принципыи возможности HSM реализуются при 5-осевом фрезеровании.Поэтому в недалеком будущем HSM будетрассматриваться как 5-осевая механическая обработка,так как она позволяет обрабатыватьтруднодоступные поверхностиболее эффективно, используя инструментс меньшим вылетом. Единственнаяпричина, почему 5-осевоефрезерование широко не применялосьдо настоящего времени,состоит в том, что электродвигателироторного типа часто не могут обеспечитькрутящий момент, необходимыйдля тяжелого фрезерования.Но это не ограничивает применениеHSM-обработки, характеризующейсянебольшими силами резания.



Области применения HSM



HSM-обработка используется, главным образом, втрех секторах промышленности.

1. Отрасли машиностроения, связанные с механообработкойалюминиевых сплавов для производства компонентовавтомобилей, корпусов приборов или медицинскихустройств. Технологический процесс состоитиз многих операций механообработки и нуждается ввысокопроизводительном процессе удаления металла.

2. Авиационно-космическая промышленность, в которойпроизводится механообработка крупногабаритныхдеталей из алюминиевых сплавов, часто с тонкимистенками. Экономически выгодно выполнить всеоперации обработки за одну установку.

3. Инструментальная промышленность, в которой требуетсяпроизводить чистовую обработку твердых материалов.При этом важно обработать детали с высокойскоростью и сохранить высокую точность. ИспользуяHSM, можно перепланировать процесс производстваза счет сокращения стадий фрезерования электродов(ECM) и электроэрозионной обработки (EDM).



Станки для HSM

Общие требования



Возможности высокоскоростной обработки доступныдля обычных обрабатывающих центров уже достаточнодолгое время, но только недавно стали проектироватьсястанки, специально предназначенные для HSM.Процесс HSM предъявляет особые требования к конструкциистанков и возможностям системы ЧПУ. В настоящиймомент наблюдается специализация HSM-станковв зависимости от характера производства, так как естьощутимая разница в требованиях к станкам, обрабатывающимлегкие сплавы и тяжелые стали.

Геометрия современного режущего инструментапроектируется для обработки определенных типовматериалов с различными параметрами HSM-обработки(табл.1), чем обусловлена принципиальнаяразница в требованиях к конструкции станков. Поэтому,говоря о функциональности HSM-станков, следуетотметить, что наилучшего результата для конкретногопроизводства можно достичь, лишь применяя специальноеоборудование.



Направляющие



Направляющие – часть конструкции станка, они служатдля обеспечения линейного перемещения по каждойиз осей. Есть три основных типа направляющих:

• направляющие коробчатого типа, или “жесткие”. Такаянаправляющая имеет форму коробки, в которой скользитползун. Между ними находится тонкий слой масла,чтобы скольжение осуществлялось с меньшим трением;

• линейные направляющие. Новые обрабатывающиецентры, предназначенные для HSM, используют именноэта систему. В ней применяется подшипник, которыйкатится по салазкам. Салазки представляют собой профильныепазы, позволяющие подшипнику катитьсятолько с одной степенью свободы;

• направляющие на воздушной подушке – используютсяв специфических станках.



Термическая стабильность



Длительная обработка детали может привести кбольшим изменениям температуры механизмов станка.При этом тепловое расширение частей станка напрямуювлияет на качество обработки. Чтобы убедиться в этом,достаточно поставить на стол станка индикаторнуюстойку и, включив шпиндель, посмотреть, насколько тотопускается по мере нагрева. В современных обрабатывающихцентрах охлаждающая жидкость циркулируетчерез шпиндель, ходовые винты, холодильнуюустановку и (иногда) корпус.



Электродвигатели



Линейные электродвигатели (альтернатива электродвигателямроторного типа) применяются в станкахдля различных производств. Линейные электродвигателиобеспечивают большую рабочую подачу, высокоеускорение и тягу.

В обрабатывающих центрах, предназначенных дляHSM, обычно используются цифровые электродвигатели.Цифровой контроль серводвигателей обеспечиваетвысокую точность отработки перемещений с большойрабочей подачей. К примеру, аналоговые средстваконтроля работают с паузами (временем задержки)порядка 10 миллисекунд. За это время, режущий инструментс рабочей подачей 2500 мм/мин переместитсяна 0.38 мм. Цифровые серводвигатели выполняюткоманды движения за значительно меньшее время, делаявозможным сочетать большие рабочие подачи с высокойточностью.



Шпиндели



Высокоскоростной шпиндель – наиболее фундаментальныйкомпонент HSM-станка. Система ЧПУ,инструмент и все другие составляющие процессаслужат единой задаче – использовать высокую скоростьвращения шпинделя наиболее эффективно.Высокоскоростной шпиндель – это компромисс междусилами и скоростью резания. Заметим, что размерэлектродвигателя ограничен тем, что он должен располагатьсявнутри шпинделя. Но наиболее критичнымфактором ограничения являются подшипники, долговечностькоторых особенно важна. В любомвысокоскоростном шпинделе подшипник – первыйкомпонент, который выходит из строя.

В настоящее время получил применение комбинированныйшпиндель, так называемый “дуплекс”, в корпусекоторого расположены два электродвигателя. Размещенныеконцентрично, два вала (по одному на каждыйдвигатель) могут вращаться совместно или раздельно.Вращение каждого из валов независимо контролируетсясистемой ЧПУ. Такая конструкция позволяет работать,например, со скоростью вращения шпинделя до10000 об/мин, обеспечивая при этом большой крутящиймомент. В то же время, например, для окончательной обработки,шпиндель может развивать скорость 30000 об/минза счет второго высокоскоростного двигателя с валомменьшего диаметра.



Подшипники



Большие подшипники – более жесткие, но подшипникименьших размеров более эффективны при высокойскорости вращения. Чтобы выбрать тип и размер подшипника,одного значения частоты вращения шпинделянедостаточно, поэтому используют число DN. ЧислоDN характеризует соотношение жесткости подшипникаи скорости шпинделя, и вычисляется оно путем умножениядиаметра подшипника D (мм) на верхнее значениечастоты вращения шпинделя N (об/мин).

Шарикоподшипники смешанного типа применяютсяпри величине DN до 2 млн. Для выполнения работ,при которых значение DN больше 2 млн., требуютсябесконтактные подшипники. Подшипник смешанноготипа имеет стальные направляющие втулки и керамическиешарики, обеспечивающие большую термическуюстабильность при высоких скоростях. Керамическиешарики долговечны, они жестче и существенно легчестальных, поэтому на них действуют меньшие центробежныесилы. Меньшее отклонение уменьшает напряжения,к тому же более твердые керамические шарикислабее взаимодействуют со стальной поверхностью.

Для обеспечения более высокой мощности высокоскоростныхшпинделей с большим числом DN изготовителистали применять гидростатические (гироскопические)подшипники, в которых отсутствует контакт междудвижущимися деталями. Жидкость – наиболее подходящийвариант поддержки вала при динамическомвращении. Первое преимущество здесь – неподвижность,второе – низкий износ (давление жидкостивынуждает ось вала совпадать с центральной линиейподшипника). Третье преимущество – снижение требованийк обслуживанию, так как вследствие отсутствиятрущихся деталей нет нужды в смазке. Основным недостаткомэтой системы является низкая эффективность,обусловленная тем, что жидкость обладает вязкостью, ибольшая доля мощности электродвигателя теряется напреодоление динамического сопротивления жидкости.

Есть и другие типы бесконтактных подшипников –аэростатические и электростатические, в которых валшпинделя поддерживается давлением воздуха илисилой магнитного поля, соответственно. У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. К примеру, аэростатическиеподшипники обеспечивают высокий КПДи превосходные характеристики износа шпинделя, ногодятся лишь для самого легкого резания. К достоинствамэлектростатических подшипников относятся большаяскорость и низкий износ. Статические характеристикитакого подшипника могут контролироваться вцифровой форме. Магнитное поле может быть смоделированодля достижения статических характеристик,сопоставимых с характеристиками, например, шарикоподшипника.Но электростатические подшипникидороги даже по сравнению с гидростатическими.



Системы ЧПУ

Общие требования



Правильно выбранная (совместно с другими элементамисистемы управления) система ЧПУ позволитстанку работать быстрее. Ведь при выполнении УПсистема управления анализирует данные и регулируетрабочую подачу в соответствии с той скоростью, с которойработает самый медленный компонент системы.Таким образом, технологии, связанные с HSM, касаютсякаждого звена всей системы управления.

Архитектура современной системы управления основываетсяна обработке цифровых сигналов и соединениикомпонентов посредством шин. При этом используютсяспециализированные интегральные схемы (ApplicationSpecific Integral Scheme – ASIC), благодарякоторым система управления имеет небольшие размеры.

Система ЧПУ состоит из следующих основныхкомпонентов:

• панель управления для коммуникации между человекоми машиной, выполненная по технологии промышленногокомпьютера (HumanComputerInterface – HCI);

• ядроЧПУ (Numerical Control Unit – NCU);

• программируемаясистемауправления (ProgrammableLogicControl – PLC);

• модули приводов для осей и шпинделя станка (VSA –приводы подач, HSA – привод главного движения);

• двигатели (двигатели переменного тока и линейныеприводы);

• модули питания и рекуперации (модули E/R).

Каждый модуль привода, NCU, PLC и панельуправления имеют собственные процессоры, поэтомусовременная система ЧПУ является многопроцессорнойсистемой.

Функции ЧПУ для HSM-обработки



Одной из важнейших функций ЧПУ для высокоскоростнойобработки является точное управление приводамиподач и приводом главного движения (шпинделем).Как в процессорах модулей привода, так и вЧПУ используются технологии цифрового управлениядля регулирования положения, частоты вращения имомента двигателя. При этом измерительные системыочень точно определяют фактическое положение осей.Многочисленные структуры управления, служащие длясокращения ошибок вычисления траектории и учетажесткости станка, повышают производительность иточность обработки.Можно выделить следующие функции ЧПУ дляHSM-обработки:

• предварительный просмотр кадров управляющейпрограммы (функция Look-Ahead);

• трансформация рабочей системы координат(например, для 5-осевой обработки);

• регулирование подачи для высокой точноститраектории;

• функцияHPCC (HighPrecisionContourControl),когда для обработки сигналов обратной связииспользуется дополнительный процессор;

• регулирование ускорения;• коррекция инструмента (длина, радиус, износ фрезы);

• автоматизированные функции сглаживания траектории(интерполяция NURBS);

• высокоскоростная передача данных (файлов УП)по сети Ethernet со скоростью до 10 мегабод;

• компенсация ошибок, обусловленных механикой;

• обеспечение безопасной эксплуатации станка.



Функция предварительного просмотра (Look-Ahead)



Сегменты траектории движения инструмента могутбыть настолько малыми, что приводы подач не сумеютускоряться или замедляться достаточно быстро, чтобыточно выполнять перемещения с изменением направления.Функция предварительного просмотра (Look-Ahead) позволяет системе ЧПУ заранее читать некотороеколичество еще не отработанных кадров УП, анализироватьрезкие изменения направления движения исоответственно регулировать рабочую подачу. Конкретноеколичество предварительно просматриваемых кадровопределяется характеристиками системы ЧПУ, приэтом большее число не обязательно означает лучшеевыполнение УП. Более жесткий станок, имеющий болеединамичные приводы подач, может отрабатыватьтраекторию движения инструмента достаточно точнодаже с довольно скромной системой ЧПУ.



Интерполяция NURBS



Системы CAD/CAM для описания кривых и плоскостейиспользуют математику сплайнов (NURBS – Non-Uniform Rational B-Splines), с помощью которой можноописать кривые и сечения любой формы. ТакойспособописаниятакжеиспользуетсявстандартеSTEP (StandardfortheExchangeofProductModelData, ISO/IEC10303) для обмена данными математических моделей.

Идеальные геометрические данные детали в форметочного математического описания доступны только впределах CAD/CAM-системы. Почему траектория движенияинструмента не может быть получена непосредственноиз этой информации в формате плавной линиидля последующей обработки? При стандартном методеподготовки данных к моделированию механообработкиэлектронная модель преобразовывается в представлениеформы. Данное преобразование обычно производитсяс определенным пределом точности, что являетсяпричиной появления ошибки той же величины.

Полученная траектория движения инструмента представляетсобой последовательность коротких линейныхперемещений. Хотя современные CAM-системы и способныпреобразовывать такие данные в сплайны, ноэти сплайны будут отличаться от идеальных геометрическихданных математической модели.

Некоторые системы ЧПУ могут самостоятельно интерполироватьдвижения по осям с помощью математическихкривых. Интерполяция NURBS – один из методовинтерполяции по плавным кривым В-типа. Приэтом один кадр управляющей программы, описывающийсплайн, может заменить до 10 кадров, описывающихотрезки, при сохранении точности. Интерполяция покривым позволяет менять направление постепенно, исистема управления поддерживает более высокую среднююрабочую подачу, чем при перемещении по полигональнойтраектории. Таким образом, задание УП посредствомполигонов заменяется либо на передачу записейсплайнов непосредственно из CAM-системы, либо нагеометрическое преобразование внутри системы ЧПУ.

Существует вопрос, который сегодня вызываетмногочисленные споры: какие все-таки параметрыиспользовать в технологии NURBS? По-существу,технология NURBS является компромиссом междуобъемом данных и точностью. Благое намерение состоитв том, чтобы обработать гладкий контур по плавнойтраектории. При этом очевидно, что точностьобработанной поверхности будет относительной.Поэтому NC-программист (часто интуитивно) долженсам установить предел точности: настолько маленький,чтобы обеспечить точность, и настолько большой, чтобытраектория была достаточно гладкой, а объем УП –удовлетворительно малым.

На сегодняшний день NURBS-интерполяция, в силувышеназванных причин, не обеспечивает большую точность,нежели интерполяция хордами. Но когда требуетсяполучить особо высокую точность, технология NURBSможет предложить эффективный способ её достижения.



Обработка данных системой ЧПУ



В процессе отработки УП система ЧПУ интерпретируеткоманды формата EIA/ISO в данные, которыемогут быть поняты системой управления и выполненыинтерполятором. Но прежде чем данные достигнутинтерполятора, должны быть осуществлены несколькопреобразований, учитывающих коррекцию, геометриюинструмента, смещения в пространстве и т.п.

Контроль точности перемещений осуществляется спомощью так называемых сигналов обратной связи. Чтобыувеличить скорость контроля положения приводов,производители систем ЧПУ стремятся наращивать частотуобработки этих сигналов за счет сопроцессоров, что позволяетиспользовать функцию HPCC. Высокая скоростьОбработки информации мощными процессорами обеспечиваетвозможность сочетать достаточную точность перемещенийс большой рабочей подачей. Однако при заданиипараметров резания нельзя пренебрегать объективнымипричинами ограничения скорости процессов механообработки(прежде всего, жесткостью системы “станок –приспособление – инструмент – деталь”).



Поддержание высокой скорости рабочей подачи



Система ЧПУ с помощью функции предварительногопросмотра защищает инструмент и станок от эффектарезкой смены направления движения при высокихрабочих подачах за счет уменьшения скоростиподачи перед поворотом. Однако это замедление можетвоздействовать на качество поверхности детали. Чтобыпо возможности сохранить высокую рабочую подачуна всем пути движения инструмента, изменение направлениядолжно быть плавным. Существует много способовсделать это средствами САМ-системы: сопряжениедугами острых углов траектории инструмента,врезание по спирали и т.д.

Другой подход к сохранению высокой скоростирабочей подачи и по возможности постоянной нагрузкина инструмент состоит в том, чтобы изменять подачуобратно пропорционально объему удаляемого материала.Немногие САМ-системы могут выполнять этуфункцию автоматически. Подобной функцией оптимизацииобладает, например, программный комплексVERICUT фирмы CGTech. Программа делит траекториюдвижения инструмента на сегменты и задает накаждую оптимальную скорость подачи в зависимостиот глубины и ширины резания.



Режущий инструмент



Характеристики режущего инструментаВ технологическом процессе, оптимизированном дляHSM-обработки, именно режущий инструмент наиболеечасто служит причиной ограничения скорости резанияи производительности. Достижения в областитехнологий создания режущего инструмента сделаливысокоскоростную обработку возможной. Постоянныеисследования и регулярные открытия в этой областидают надежду, что сдерживающий фактор, обусловленныйограниченными возможностями инструмента всравнении с оборудованием, будет преодолен.Стойкость инструмента при фрезеровании обусловленаего материалом, качеством поверхностного покрытия,точностью и особенностями геометрии. Отличительныесвойства режущего инструмента для HSMможно описать следующим образом:

• способность сопротивляться высоким механическими тепловым воздействиям. Мелкозернистый карбид(размер частиц карбида от 0.4 до 1 микрона) с покрытиемна основе карбида титана – это наилучшая комбинация,обеспечивающая износостойкость, сопротивлениевысокой температуре и низкий коэффициент трения.

• более точная геометрия, чем у обычного режущегоинструмента. Так, у инструмента для HSM допуск надиаметр не превышает 0.02 мм (0.0007"), а предельноеотклонение радиуса режущей кромки – 0.01 мм (0.0004"),что вдвое выше показателей обычного инструмента;

• фрезы, предназначенные для HSM-обработки закаленныхсталей, имеют больший диаметр центрального стержня и более мелкие зубья, чем обычные фрезы. Засчет этого инструмент обладает большей жесткостью, азначит, лучше противостоит деформации и вибрации.Угол наклона спирали (длина режущей кромки) зубадолжен быть наибольшим из возможных.В качестве поставщиков рекомендуется рассмотретьследующих производителей режущего инструмента,доминирующих на соответствующем рынке (табл.2).



Жесткость инструмента



Высокая скорость вращения шпинделя увеличиваетвлияние вибрации инструмента на процесс резания.Чтобы стойкость инструмента и качество поверхностибыли удовлетворительными, необходимо использоватьжесткий инструмент, причем каждый лишний миллиметрвылета имеет большое значение. Инструмент смалым вылетом имеет наименьшую деформацию именьше подвержен вибрации.



Мелкозернистые твердые сплавы



При HSM-обработке используются инструменты восновном из твердого сплава. При выборе марки сплаванужно учитывать не только его твердость, но и значениесопротивления изгибу, поскольку обработка производитсяс высокой частотой ударов режущей кромки ометалл. Воздействие вибрации и температурныхколебаний на высоких скоростях еще более усугубляютобщую картину. Инструмент из твердого сплава с болеевысоким значением сопротивления изгибу менее подверженповреждениям или трещинам в результате ударово металл или стружку.

Хорошим сочетанием достаточного значения твердостии удовлетворительного значения сопротивленияизгибу обладают твердые сплавы с зерном малогоразмера (менее 0.5 мкм). Сегодня существуют технологииполучения твердых сплавов с малым размеромзерна, обладающих большим сопротивлением изгибупри малом снижении твердости.



Покрытие инструмента



Правильно выбранное покрытие значительно удлиняетжизнь инструмента, обеспечивая дополнительнуюзащиту твердого сплава от трения и высокой температуры.Обычно используются три типа покрытия:

Алюмонитрид титана (TiAlN) служит превосходнымтеплоизолятором в операциях обработки, характеризующихсявысокими температурами, в том числе без примененияСОЖ. Отличительные особенности покрытия:

• сопротивление высокотемпературному износу (температураплавления TiAlN приблизительно на 35%больше, чем у нитридатитана);

• скользящий эффект,обусловленный тем, чтонаружный слой покрытияпредставляет собойоксид алюминия, которыйявляется одновременнотвердым и скользящим.Хорошозащищая инструмент от износа, оксид алюминия как бысмазывает горячую стружку, чтобы она скользила поповерхности фрезы без теплопередачи и прилипания.Низкий коэффициент трения делает это покрытие эффективнымдля обработки графита, чугуна и другихабразивных материалов.

Нитрид карбида титана (TiCN) – толстое, многослойноепокрытие, которое используется, преимущественно,для обработки стали. Недостаток состоит в том,что его нельзя наносить повторно. Инструменты,покрытые однажды TiCN, в дальнейшем обычно защищаютнитридом титана.

Покрытие TiCN – недорогое, применяется там, гдетвердость заготовки меньше 42 НRc и скорость резанияне больше 240 м/мин. При этих условиях резаниярекомендуется использовать охлаждающую эмульсию.

Нитрид титана (TiN) стоит очень дешево. Хотятакое покрытие нельзя использовать в тех условиях, вкоторых работают предыдущие, оно является самымуниверсальным.

Формулы и технологии нанесения покрытий, разработанныедля HSM-обработки, постоянно изменяются.Регулярно (примерно раз в полгода) в этой областисовершаются крупные открытия. Некоторыепроизводители режущего инструмента утверждают, чтоработают над формулой, которая будет сочетать в себелучшие свойства всех представленных выше покрытий.



Заточка режущего инструмента



Даже небольшие изменения в геометрии режущегоинструмента могут оказать существенное влияние наэффективность процесса HSM. Чтобы обеспечитьпостоянство геометрии режущего инструмента, следуетучитывать следующие рекомендации:

• предпочтительнее использовать режущий инструментодного производителя (для каждого типа инструмента);

• для переточки инструмента необходим прецизионныйстанок с возможностью шлифования по УП.



Инструментальные патроны



Инструментальный патрон служит звеном, связывающимшпиндель и режущий инструмент. Именноот него в наибольшей степени зависит сбалансированностьвсей системы. С увеличением скорости вращенияшпинделя эффективность процесса все более зависитот типа патрона. Не балансируемые инструментальныепатроны можно применять только при частоте вращенияинструмента до 8000 об/мин.3

При HSM-обработке особую роль играют такие факторы,как концентричность и баланс системы “шпиндель– инструментальный патрон – режущий инструмент”.Для того чтобы режущие кромки всех зубьевфрезы вращались по одному радиусу и срезали одинаковыйслой материала, необходимо обеспечить требуемую(максимальную) концентричность элементов указаннойсистемы. А правильный баланс обеспечит равномерноераспределение веса, и центробежная сила несоздаст вибрацию, которая повредит процессу.

Величина биения режущего инструмента также являетсякритичным показателем для достижения требуемойточности обработки. Максимальное биение режущейкромки не должно превышать 10 мкм. Каждые 10 мкмбиения уменьшают стойкость инструмента на 50%.

Даже если инструмент, патрон и шпиндель поотдельности сбалансированы точно, всё равно существуютнесколько источников общей несбалансированности.Одним из них может оказаться технологическийзазор между конусом инструментального патрона ишпинделем, если в него попадет стружка или грязь.

Концевая фреза, вращающаяся с частотой20 000 об/мин, может иметь момент дисбаланса порядка20 граммов на мм, а при 5 г*мм скоростьвращения может быть намного больше. Моментдисбаланса напрямую зависит от возникающейвибрации, частоты вращения шпинделя и общего весапатрона и инструмента.

Очень трудно сбалансировать инструмент идеальноточно, поэтому в качестве оптимального обычно принимаетсято значение баланса, при котором дальнейшаябалансировка не влияет на точность и шероховатость обработаннойповерхности. Приемлемая для процесса несбалансированностьинструмента определяется силами резанияи условиями равновесия станка, а вернее – диапазоном,в котором эти два аспекта воздействуют друг на друга.

Широко применявшиеся на станках с ЧПУ патроныс конусом 7:24 имеют слишком большую массу, чтоприводит к появлению осевой составляющей центробежнойсилы, сопоставимой с силой закрепления хвостовикаинструмента в шпинделе. Так как эти силы направленыв противоположные стороны, то происходит раскреплениеинструмента, нарушение его базирования и,следовательно, потеря его точности и жесткости. Поэтомупроизводителями инструментальной оснастки былразработан ряд конструкций, позволяющих значительноснизить указанные потери. После промышленныхиспытаний выбор был сделан в пользу полых коническиххвостовиков HSK (рис.2), которые можно применятьдля любого обрабатывающего центра, работающегопри 12000 об/мин и выше.

В последнее время наблюдается тенденция к расширениюприменения патронов, в которых зажим инструментапроизводится методом тепловой посадки с натягом.Установка для нагрева представляет собой позиционныйповоротный стол. В одной позиции производитсянагрев патрона, извлечение старого инструментаи установка нового. В других позициях патроны с установленныминструментом остывают.

Тепловые патроны позволяют передавать в 2ч4 разабольший крутящий момент. Обеспечивается концентричностькрепления инструмента в пределах 3 мкм,благодаря чему значительно возрастает стойкость режущегоинструмента и увеличивается точность обработки.HSM-обработка – наиболее перспективная область примененияпатронов с тепловым зажимом.



Не забывайте о технике безопасности!



Центробежная сила при высокой скорости вращенияшпинделя может превратить слабо закрепленнуювставку, винт или любой другой из компонентовинструмента в опасный снаряд. К примеру, энергиявставки массой 15 граммов, вырвавшейся из державкифрезы диаметром 40 мм при вращении инструмента соскоростью 40000 об/мин, эквивалентна энергии пулитакого же веса, выпущенной из пистолета (рис.3).



Траектории режущегоинструмента для HSM



Проблемы развития CAM-системдля обеспечения HSM



Есть много факторов, от которых зависитэффективность процесса HSM.Хорошо известно, как влияют на него характеристикистанка, шпиндель, инструментальные патроны, режущийинструмент и система ЧПУ. Однако далеко не всегдаучитывается зависимость качества выполнения HSMот методов программирования траектории инструмента.

Возможности программного обеспечения CAD/CAM являются ключевыми в обеспечении эффективнойHSM-обработки. Технология HSM начинаетсяс создания соответствующих управляющих программ(УП), поэтому с появлением HSM возниклиновые требования к САМ-системам и навыкам технологов-программистов. Качество УП в большоймере влияет на износ дорогостоящего станка, инструментаи на качество работы.

Ведущие мировые производители оборудования ирежущего инструмента первыми предложили решениядля использования новой технологии. РазработчикиСАМ поначалу не спешили признать необходимостьновых стратегий в процессах резания, однако рынокзаставил их развивать возможности САМ в направлениисоответствия принципам HSM. При этом появилисьследующие вопросы:

• Каковы потенциальные проблемы развития САМдля HSM?

• Какова рыночная востребованность новых CAM-разработок?

• Какие новые стратегии, отличные от стандартныхметодов обработки, должны быть созданы для HSM,чтобы удовлетворить производителей оборудования иинструмента?

• Может ли CAM-система оптимизировать траекториюинструмента для сохранения постоянных усилийрезания и большой рабочей подачи при постояннойскорости резания?

Существующие CAM-системы пока еще не учитываютмногообразие форм обрабатываемых деталей ивлияние инерции, возникающей в процессе механообработки,а также не решают проблемы, связанныенепосредственно с особенностями конструкции станков.На сегодняшний день разработчики САМ предложилилишь общие решения специфических проблем, появляющихсяпри обработке каждой конкретной детали.

Например, чтобы получить УП, пригодные для HSM,часто приходится “реконструировать” геометрию детали.Под этим понимается создание некоторой новойгеометрии с целью получения оптимальной траекторииинструмента. Иногда разработчикам УП приходитсявручную дорабатывать данные, полученные с помощьюСАМ. Однако, несмотря на все ограничения, современныйрынок активно осваивает самое важное достижениев теории резания.

Надо отметить, что CAM-системы сегодня бурно совершенствуются,чтобы удовлетворить специфическиепотребности в создании новых стратегий движенияинструмента. Современная CAM-система должна обеспечиватьследующие основные критерии разработкиУП для HSM:

• постоянство условий резания с сохранением постояннойтолщины стружки;

• сопряжение по радиусу острых углов траекториидля поддержания наилучших условий резания сминимальными потерями рабочей подачи;

• плавное соединение концов траектории при позиционировании;

• максимальная скорость отработки УП системой ЧПУ.

В связи с этим CAM-система должна уметь создаватьпроходы с маленьким шагом, которые будут выполнятьсяна очень больших рабочих подачах. Дляэтого должны быть исключены резкие повороты, таккак функция предварительного просмотра (look-ahead)системы ЧПУ автоматически уменьшает рабочуюподачу в тех случаях, когда обнаруживает приближениеточки смены направления движения. Целью являетсягеометрически точное фрезерование изделий (например,деталей пресс-форм) с достижением такой шероховатостиповерхности, чтобы финишная полировка быламинимальной или даже полностью устранялась.

Кроме того, чтобы преодолеть известную проблему“голодания данных” (недостаточное быстродействиесистемы ЧПУ при обработке сигналов ведет к уменьшениюрабочей подачи), система CAM должна создаватьспециальные траектории инструмента, соответствующиевозможностям систем управления HSM-оборудования(к примеру, использовать возможность отработкиG-кодов на базе технологии NURBS).

Для получения оптимальной траектории инструментав функциональные.......................