Высокоскоростное Фрезерование На Станке С ЧПУ

Высокоскоростное фрезерование - это принцип обработки материалов на фрезерных станках с чпу, в котором за основу взяты быстрые, но легкие режимы удаления металла резания с низким давлением. Как результат, возрастает скорость фрезерования. Целю высокоскоростного фрезерования на станке с чпу является использование высоких скоростей для достижения высокой скорости удаления материала.

Высокоскоростная обработка (High Speed Machining, HSM) в последние годы стала одним из самых быстроразвивающихся направлений в механообработке. Связано это, в первую очередь, с ее высокой производительностью. Второй важной особенностью HSM является высокая чистота обработанной поверхности, что позволяет в ряде случаев отказаться от финишного шлифования и электроэрозионной обработки.

С точки зрения движения фрезы, самым главным требованием к высокоскоростному фрезерованию является обеспечение плавной, без резких изменений направления, траектории движения инструмента. Траектория такого вида призвана обеспечить постоянное сечение стружки и постоянную нагрузку на фрезу. Выяснилось, что гладкие траектории, характерные для HSM-обработки, могут существенно (в несколько раз) увеличивать стойкость инструмента и при обработке с традиционными режимами резания. К сожалению, такой эффект достигается не всегда, более того, в некоторых случаях стойкость инструмента во время высокоскоростного фрезерования при движении по заданной траектории может даже упасть. Особенно часто падение стойкости наблюдается при обработке алюминия и алюминиевых сплавов.

Традиционно причины подобных неудач связывают с характеристиками оборудования, например, с низкой жесткостью фрезерного станка с чпу. К сожалению, отсутствуют конкретные рекомендации, какая все-таки минимальная жесткость станка необходима при заданной траектории движения фрезы или как изменить параметры траектории при заданных параметрах жесткости станка. Попытаемся их сформулировать.

Остановимся только на одном, но принципиально важном аспекте оценки минимально необходимой жесткости станка. Точнее, на минимально необходимых для обеспечения гладкой траектории движения инструмента требованиях к приводам подачи станка. Например, при движении инструмента по дуге привод должен обеспечить на отрезке длиной R (радиус дуги), с одной стороны, торможение по оси X от величины рабочей подачи до О, с другой стороны, разгон по оси Y от О до номинальной рабочей подачи. При разгоне или торможении на привод действуют динамические нагрузки, весьма существенно превышающие собственно силы реза- ния. Если эти динамические нагрузки превышают значение предельно допустимой динамической грузоподъемности привода, то подача автоматически снижается. В результате подача на зуб (при фрезеровании) катастрофически падает, зубья фрезы начинает затирать по задней по- верхности, что в итоге приводит к падению ресурса инструмента. Таким образом, необходимым (но не достаточным) условием обеспечения условия высокоскоростного фрезерования подобных траекториях является соответствие радиуса кривизны траектории максимально теоретически возможному ускорению движения инструмента, которое способны обеспечить прода станка.

Оценим минимально возможный радиус поворота траектории инструмента, исходя из предельных значений ускорения, обеспечиваемых приводами станка. Скорость перемещения оси инструмента (минутная подача) Vp, м/мин, равна:

V_F=(V_РЕЗ*f_Z*Z)/(πхd)

тогда минимально возможный радиус R_min, мм, на траектории движения инструмента равен:

R_min=V_F²/(3,6хα)

где V_РЕЗ - скорость резания (окружная скорость), м/мин; f_z - подача на зуб, мм; Z - число зубьев; d - диаметр фрезы, мм; α - максимально допустимое ускорение, обеспечиваемое приводами станка, м/с2.

На рис. 1, а приведена номограмма, по которой можно определить минимально возможный радиус R_min, мм, при известном максимально допустимом ускорении α, м/с2, создающим приводами станка для разных скоростей движения центра фрезы (минутной подачи) V_РЕЗ, м/мин.

Рис. 1. Номограмма для определения минимально возможного радиуса траектории фрезы при высокоскоростном фрезеровании

Покажем, как определить по номограмме минимально допустимый радиус трохоидальной траектории (рис. 1, б) для торцевой фрезы CoroMill 390 диаметром d=12 мм, укомплектованной двумя пластинами Н13А (Z=2), скорость резания V_РЕЗ=925 м/мин с подачей на зуб f_z=0,2 мм, при обработке на станке с максимально допустимым ускорением а=3 м/с^. Тогда минутная подача V_F равна:

V_F=(925*0,2*2)/(π*12)≈10 м/мин

Для оценки минимально допустимого радиуса траектории восстановим перпендикуляр от значения ускорения, равного 3 на оси «а» до пересечения с кривой скорости «10» и из точки пересечения проводим горизонтальную линию до пересечения с осью «R_min» (показано стрелками на рис. 1). Значение радиуса получилось равным ≈ 9 мм. Если в соответствии с рекомендациями назначить радиус трохоидальной траектории равным 0,7*d или, в нашем случае, равным 8,4 мм, то при попытке движения по траектории с таким радиусом закругления фреза будет тормозиться. Таким образом, выбранная фреза непригодна для обработки на данном станке по классической трохоидальной траектории.

Затруднения может вызвать и определение возможности движения инструмента по трохоидальной траектории, исходя из значений максимальных ускорений по осям, обеспечиваемых станком. Для новых, высокопроизводительных станков с ЧПУ эти значения приводятся в паспорте и, более того, являются одним из наиболее рекламируемых параметров. В качестве примера ниже будут приведены значения максимальных ускорений для некоторых станков для оценки их при высокоскоростном фрезеровании.

Следует специально отметить, что описанная методика оценки параметров траектории движения фрезы пригодна только для случая, когда силами резания допустимо пренебречь по сравнению с динамическими нагрузками (например, при чистовой обработке). Если же используются достаточно жесткие режимы высокоскоростного фрезерования, то необходимо дополнительно учитывать нагрузку от силы резания, соответствующим образом корректируя значения максимально допустимого ускорения. В первом приближении представляется возможным уменьшить расчетное значение ускорения пропорционально отношению «сила резания (вдоль выбранной оси)» / «динамическая грузоподъемность привода». Кроме того, нежелательно, чтобы станок длительное время работал при максимально допустимых ускорениях или, что то же самое, при максимально допустимой динамической грузоподъемности привода. Поэтому допустимое значение ускорения, принимаемое при расчетах, α_РАСЧ, желательно корректировать, используя, например, следующую зависимость:

α_РАСЧ=α_ПАСП*К_ПРИВ*((С-Р_РЕЗ)/С),

где α_ПАСП - паспортное значение максимально допустимого ускорения, обеспечиваемое приводами станка, м/с2; К_ПРИВ - поправочный коэффициент, учитывающий требования к режиму нагружения привода; в первом приближении допустимо принимать К_ПРИВ=0,8; Р_РЕЗ - расчетная сила резания по направлению оси привода, Н; С - динамическая грузоподъемность привода, Н.

Динамические свойства приводов подачи станка - это одна из критически важных характеристик станочной системы. Далее приведены динамические характеристики приводов некоторых станков с ЧПУ:

Фрезерный станок с ЧПУ HERMLE С 40

• Максимальная подача 45 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 6 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ DIXI Group DHP 80

• Максимальная подача 10 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 2-5 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ TOYODA FH-S

• Максимальная подача ≤50 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 7-8 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ LANG IMPALA 200

• Максимальная подача 2,6-5,2 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 0,14 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ LANG IMPALA 800S

• Максимальная подача 15 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 5 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ DIXI Group JIG 1200

• Максимальная подача 10 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 1-2,5 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ DIXI Group JIG 700

• Максимальная подача 20 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 2,5-5 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ SERRTECH M

• Максимальная подача 30 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 5,5-7,5 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ MATSUURA MAM72-63V (//)

• Максимальная подача 50 м/мин;
• Максимальное ускорение (X/Y/Z) 6,1/7,7/9,4 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ OLYMPIC SEIKI VL-8A

• Максимальная подача (X/Z) 36/72 м/мин;
• Максимальное ускорение (X/Z) 10/12 м/с2

Фрезерный станок с ЧПУ ИС 800 (Ивановский завод тяжелого машиностроения)

• Максимальная подача 40 м/мин;
• Максимальное ускорение (по осям) 8 м/с2

Для обеспечения высокоскоростной обработки необходимы также система управления, обеспечивающая требуемую скорость управления органами станка, адекватная САМ-система подготовки управляющих программ и т.д. Но все же, определяющим критерием оценки принципиальной возможности обработки по заданной траектории для высокоскоростного фрезерования является динамическая характеристика приводов подачи.