Высокоскоростная Обработка Металлов Резанием

Высокоскоростная обработка металлов резанием - это одна из современных технологий, позволяющая увеличить эффективность, точность и качество, в сравнении с обычными способами металлообработки обработки. Особая черта такого подхода заключается в высокой скорости резания, в результате которой существенно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче, и силы резания уменьшаются. Все это позволяет рабочему инструменту перемещаться с большой подачей.

Существуют четыре принципа генерации траектории движения режущего инструмента, которым подчинены все подходы к созданию управляющих программ для высокоскоростной обработки на станках с чпу:

• Предпочтительны длинные траектории инструмента для резания с небольшой глубиной в осевом и радиальном направлениях.
• Резание образующей вместо торцового фрезерования. Окружная скорость прямо пропорциональна радиусу инструмента, и даже при высокой скорости вращения шпинделя она равна нулю в центре инструмента (на оси). Силы резания при высокоскоростной обработке существенно уменьшаются в направлении осей X и Y, а в направлении оси Z практически не изменяются. К тому же при торцовом фрезеровании удаление стружки затруднено, что негативно сказывается на процессе резания.
• Плавное изменение условий резания: условия отвода стружки, усилия резания в осевом и радиальном направлениях и т.д. Для инструмента из твердого сплава более благоприятна постоянная (пусть даже и высокая) температура в зоне резания, чем её колебания. Резкое изменение условий резания при врезании инструмента в материал приводит к увеличению количества выделяемого тепла и механических напряжений, что отрицательно сказывается на стойкости инструмента. Если траектория инструмента рассчитана при условии плавного изменения условий резания, то это позволит значительно увеличить стойкость инструмента, получить лучшую точность и шероховатость обработанной поверхности.
• Плавные траектории инструмента. Применение функции предварительного анализа траектории с соответствующим регулированием рабочей подачи позволяет предотвратить резкие врезания в материал, так как рабочая подача будет соответствовать запрограммированному значению только на плавных (особенно на прямолинейных) участках траектории, а перед резкой сменой направления движения инструмента рабочая подача будет постепенно уменьшаться до некоторого значения. При плавном изменении нагрузки на инструмент на механические узлы станка будут действовать наименьшие силы. Практика показывает, что деталь невозможно изготовить без использования траектории, предполагающей резкую смену направления движения инструмента (рис.1, а), но такие случаи необходимо минимизировать. Плавная траектория (рис.1, б) более подходит для высокоскоростной обработки металлов резанием.

Рис. 1. Схемы траекторий движения инструмента при высокоскоростной обработке металлов на станках с чпу: траектория с резким изменением направления (а), плавная траектория движения (б)

Сила резания в направлении оси Z не уменьшается при увеличении скорости вращения шпинделя. Врезание в твердый материал с высокой рабочей подачей создаст напряжение в инструментальном патроне и шпинделе, и приведет к повреждению инструмента. Необходимо избегать вертикального врезания инструмента (за исключением графита, алюминия и некоторых других мягких материалов). Перемещение режущего инструмента на величину прохода по оси Z рекомендуется производить в воздухе, а врезание в горизонтальном направлении - по дугообразной траектории. Желательно и выход инструмента осуществлять по дуге. Чем тверже материал, тем меньше должно быть значение угла врезания. Например, при обработке стали твердостью 62...65 HRC рекомендуется задавать угол врезания не более 0.5 градуса.

Резание параллельными слоями (фреза движется последовательно слоями по горизонтальным плоскостям) - наиболее распространенный метод формирования траектории для предварительной обработки. Преимущество этого подхода в простоте программирования при сохранении глубины фрезерования. При обработке параллельными слоями генерируются проходы для окончательной обработки боковых стенок карманов или островов. Однако для обработки плоских поверхностей (низ кармана или верх острова) такая техника не совсем подходит, и тут лучше применять другие методы. Некоторые САМ системы позволяют программировать траектории для обработки комбинированных поверхностей. Одна из проблем обработки параллельными слоями - изменение шага по оси Z. Только часть САМ-систем автоматически определяют различные значения приращения по оси Z в зависимости от угла наклона стенок; большинство же - не может. Технолог-программист вынужден вручную разделять поверхность на области и указывать различные значения шага по оси Z, чтобы получить оптимальную шероховатость поверхности наклонных и вертикальных стенок.

На основе практического опыта выработаны следующие рекомендации по программированию траекторий когда планируется высокоскоростная обработка металлов фрезерованием на станке с чпу:

• Обработка с образованием стружки. Тепло из зоны резания в основном отводится вместе со стружкой. При малой рабочей подаче стружка почти не производится. Вырабатываемое в процессе трения тепло будет отводиться только через инструмент и обрабатываемую деталь, что приведет к перегреву и преждевременному износу инструмента.
• Если условия резания в режиме высокоскоростной обработки не могут быть постоянными в силу специфической геометрии детали, то уменьшение значения шага по оси Z является наиболее эффективным способом улучшить резание. При уменьшении шага минимизируются случаи внезапного увеличения объема удаляемого материала при врезании фрезы в угол, которые приводят к повышению вибрации и ухудшению условий отвода стружки.
• Попутное фрезерование для предварительной и окончательной обработки. Поверхность получается с лучшей шероховатостью и происходит оптимальный отвод стружки; так же существенно возрастает стойкость фрезы. Современные инструменты из твердого сплава лучше сопротивляются усилиям сжатия (что характерно для попутного фрезерования), нежели растяжения. При встречном фрезеровании толщина стружки увеличивается от нуля до максимума, что способствует выделению большого количества тепла, поскольку режущая кромка движется с большим трением.
• Резание в одном направлении. При таком резании инструмент всегда будет находиться с одной стороны от материала, поэтому условия резания будут более однородными. Недостаток - большое время, затрачиваемое на холостые перебеги.
• Минимум врезаний инструмента. При врезании количество стружки резко увеличивается, и в режущем инструменте возникает большое напряжение.
• Окончательная глубина фрезерования при высокоскоростной обработки металлов резанием должна достигаться переменными шагами, чтобы для окончательной обработки оставался равномерный припуск. Излишний припуск может оказаться слишком большим для инструмента окончательной обработки. Если используемая САМ система не обеспечивает контроль величины припуска, необходимо добавить дополнительную траекторию между предварительной и окончательной обработкой.
• Обработка «от центра - к периферии» и несколько чистовых проходов при обработке стенок. Для предварительной обработки параллельными слоями, когда на каждом уровне инструмент движется по спирали, лучше генерировать траекторию «от центра - к периферии». Это также позволяет добавить дополнительный проход при обработке боковых стенок кармам Свои преимущества есть и у обработки «от периферии - к центру», при которой уменьшаются случаи врезания инструмента по оси Z и в углах. Если в САМ-системе есть функция минимизации врезаний инструмента, то рекомендуется её использовать.
• Предварительная обработка фрезами большого диаметра с припуском в углах для последующей доработки. Обработка углов с маленькими радиусами должна производиться инструментом малого диаметра, который не является в достаточной мере жестким для удаления большого количества материала, особенно когда инструмент имеет большой вылет (малое соотношение диаметра инструмента к его длине). САМ-системы позволяют удалять припуск, оставленный в углах, с помощью дополнительных фрез меньшего диаметра. Это особенно полезно, когда твердость металла высока.
• Использование функции САМ-системы «аппроксимация дугами». Она служит для преобразования нескольких линейных сегментов траектории в одну дугу, что позволяет уменьшить размер УП и обеспечить постоянство рабочей подачи. Эта функция особенно полезна при интерполяции одновременно по трем осям. При этом значение точности интерполяции должно быть на порядок выше, чем оставленный припуск.
• Отход и подход к траектории должны производиться по дуге. Условия резания в таком случае изменяются плавно, и износ инструмента уменьшается.
• Предварительную обработку предпочтительно осуществлять концевыми фрезами с небольшим радиусом (до 1 мм) на торце. Они могут сохранять свою целостность дольше фрез без радиуса на торце или сферических фрез.

Рекомендуется применять обильное охлаждение или работать вовсе без охлаждения. Целесообразность использования СОЖ повышается с уменьшением скорости резания. Процесс отвода тепла в большой степени зависит от своевременного удаления стружки, и для этого правильней будет использовать воздушную струю, поданную под большим давлением вместо охлаждающей эмульсии на водной основе. Поскольку в зоне резания создается высокая температура и большие центробежные силы, любая жидкость на водной основе вблизи от режущей кромки будет мгновенно превращена в пар, и какой-либо охлаждающий эффект будет отсутствовать. В момент высокоскоростной обработки металлов резанием жидкость будет на мгновение охлаждать режущую кромку, находящуюся в тот момент вне процесса резания. Эти тепловые удары приведут к преждевременному износу инструмента. Масляно-воздушная охлаждающая эмульсия в виде тумана служит в основном для смазки и уменьшения трения.