Высокоскоростное Резание Металлов На Станках С Чпу

Высокоскоростное резание металлов - это один из рациональных подходов к фрезерованию материала на станках с чпу. Это важно в металлообрабатывающей отрасли, где достижение высокой производительности обработки материалов со строгим соблюдением уровня качества продукции является основным требованием.

Особенно актуальным является совершенствование высокоскоростного резания при обработке деталей сложной формы малых и больших габаритов. Исследования в области высокоскоростного резания показали ряд его преимуществ по сравнению с традиционной обработкой. Соломон в 1931 году доказал, что зависимость температуры от скорости обработки практически для всех материалов имеет экстремальный характер. Повышение скорости резания выше экстремума приводит к падению температуры.

При высокой скорости вращения жесткая технологическая система переходит в разряд упругодеформируемой, упругие и диссипативные характеристики которой накладывают существенные ограничения на её режимы работы. Поэтому, для реализации заданных режимов высокоскоростного резания металлов необходимо установить допустимые характеристики технологической системы, либо при её известных характеристиках назначить разрешенные режимы обработки. В первом случае решается задача синтеза, а во втором - анализа динамики технологической системы. Вопросы анализа и синтеза машин и механизмов различного назначения, в том числе технологических машин, широко освещены в научно-технической литературе. Однако в большинстве исследований авторы рассматривают отдельно механическую систему или только кинематику и динамику процесса резания.

Отличительной особенностью технологической системы при высокоскоростного резания является тесная взаимосвязь процесса резания с динамикой системы, качеством и производительностью обработки. Для практической реализации ВСО необходимо выбрать допустимые режимы резания, установить значения вибродиагностических параметров технологической системы для управления качеством обрабатываемой детали и техническим состоянием самой системы. Установлено, что высокоскоростная обработка металлов резанием для конкретной технологической системы осуществима в очень узком диапазоне скоростей, подач и глубин обработки, который характеризуется низкими уровнями её вибраций.

Обычно технологическую систему подразделяют на четыре подсистемы (рис. 1), каждая из которых включает ряд структурных единиц (СЕ). На основании расчётных и экспериментальных данных определены основные требования для подсистем и их структурных единиц, предназначенных для высокоскоростного фрезерования.

Рис. 1. Технологическая система состоящая из 4 подсистем

Заготовки для высокоскоростного фрезерования должны соответствовать повышенному классу точности, так как в противном случае дефекты её поверхности могут привести к высоким и неравномерным нагрузкам на подсистему шпинделя, что вызовет повышенные вибрации всей системы. У заготовок не отвечающих этим требованиям необходимо снять поверхностный слой, предварительно её обработав. Предельные отклонения от плоскостности и прямолинейности заготовки не должны превышать 12 класса точности.

В технических характеристиках инструментов предлагаемых для высокоскоростного резания указываются рекомендуемые параметры фрезерования типовых материалов и точность их изготовления. Эти параметры обеспечивают только необходимые, но недостаточные условия применения данного инструмента в конкретной технологической системе. Такой инструмент должен иметь:

• допуск на диаметр - 7 квалитет по ИСО;
• радиальное биение зубьев - не более 4 степени точности;
• дисбаланс - 4 или 5-й класс точности по ГОСТ 22061 (зависит от соотношения масс инструмента и ротора шпинделя);
• максимальное число оборотов соответствующее частоте вращения шпинделя.

Основные требования, предъявляемые к вспомогательному инструменту для закрепления фрез (оправки, патроны), это - 3-й класс точности балансировки в сборе, точность соединения шпиндель-оправка АТЗ, а отклонения формы и расположения посадочной поверхности по 2-й и 3-ей степеням точности. Погрешность базирования оправки в шпинделе необходимо оценивать с помощью контрольной оправки (эталона инструмента), радиальное биение которой не должно превышать 3 мкм на длине равной четырем диаметрам при нескольких установок её в шпинделе. От данного требования зависит стойкость инструмента, которая убывает по гиперболе е с ростом биения инструмента. Так, например, стойкость инструмента при биении 12 мкм составляет 30% от его стойкости при биении 3 мкм.

Высокоскоростные фрезерные центры оснащены электро шпинделями с частотами вращения 8000-24000 мин-1 с тенденцией роста до 40000 мин-1 и более. На этих оборотах роторная система «якорь-оправка-инструмент» (рис. 2) становится упругодеформируемой, а уровень вибраций зависит от динамической жесткости роторного узла и дисбалансов структурных единиц. Сама жесткость зависит как от конструкторско технологических параметров шпинделя, так и от условий закрепления в нём оправки с инструментом, существенно влияющих на значения резонансных частот при которых не допустима эксплуатация станка, что ограничивает разрешенный диапазон частот вращения шпинделя. Так, например, для электрошпинделя с рабочим диапазоном частот вращения от 12000 до 24000 мин-1, были вычислены возможные собственные частоты колебаний: вала (СЕ1) ... 44000 мин-1; механизма натяжения (СЕ4) ... 24000 или 16000 или 10000 мин-1 в зависимости от усилия зажима штревеля оправки в соединениях М2 и М3 (жёсткое, шарнирное или свободное закрепление); опор (СЕ2. СЕЗ) … 15100 и 23700 мин-1.

Из этих расчётов следует, что с 10% запасом устойчивости, эксплуатация шпинделя возможна в двух диапазонах оборотов: от 12000 до 13200 мин-1 и от 18000 до 21300 мин-1.

Экспериментальные исследования этого шпинделя на холостом ходу с контрольной оправкой и рабочей фрезой подтвердили наличие резонанса в рабочем диапазоне оборотов шпинделя. Для выбора режимов высокоскоростного резания металлов на станках с чпу обработки непременным условием является установление всех динамических характеристик шпинделя и станка, которые должен представить изготовитель или их следует определить на месте установки станка.

Рис. 2. Схема роторной системы высокоскоростного электрошпинделя станка с чпу

Вибрации высокооборотных шпинделей при холостом ходе определяются остаточными дисбалансами их роторов, а при эксплуатации - технологическими дисбалансами оправки с инструментом и переменными нагрузками от реакций сил резания. Роторы шпинделей станков балансируют как отдельные детали в собственных подшипниках, что может соответствовать 2-му классу точности по ГОСТ 22061 (ИСО 1940). Допустимость такой балансировки оценивается уровнем вибраций корпуса шпинделя в рабочем диапазоне оборотов. Согласно пределам оценки колебательных свойств амплитуда виброскорости электрошпинделя должна лежать в пределах 0.7-1.1 мм/с. В противном случае шпиндель следует балансировать в собственном корпусе с соблюдением условий эксплуатации, т.е. по 1-му классу. Также не допускается эксплуатация шпинделя при вибрациях выше 4.5 -7.0 мм/с.

В процессе обработки материала к ротору приложены неуравновешенные силы от дисбалансов, реакция силы резания и сила натяжения. Неуравновешенная сила от дисбалансов пропорциональна квадрату угловой скорости вращения шпинделя и коэффициенту динамичности вала, причем она меняется при каждой смене инструмента из-за погрешностей базирования фрезы, оправки и штока. Сила натяжения, из-за зазора в направляющих штока (тяги), приложена эксцентрично. Возникает её радиальная составляющая и она действует как неуравновешенная сила. Значение этой силы не зависит от оборотов шпинделя, а зависит от точности штревеля и величины зазора в направляющих тяги. Радиальная составляющая реакции сил резания приложена к режущей кромке фрезы, находящейся в контакте с заготовкой в течении части периода вращения ротора шпинделя и действует на ротор как неуравновешенная сила. При входе в контакт с заготовкой следующей режущей кромки, меняется направление действия неуравновешенной силы и т.д. Следовательно, сила резания выступает как периодическая сила и создает полигармонические вибрации. Зависимость значения радиальной составляющей силы резания, оцениваемое по вибрациям шпинделя, от параметров обработки имеет различный характер.

Экспериментальные данные, полученные при высокоскоростном резании алюминиевого сплава двух, трёх и четырёх зубыми фрезами из инструментальной быстрорежущей стали, показывают характер зависимостей вибраций шпинделя от параметров резания:

• Резонансный - от скорости резания.
• Экспоненциальный - от минутной подачи.
• Монотонно возрастаюший - от производительности.

С ростом вибраций шпинделя качество фрезерования снижается - увеличивается протяжённость следов обработки. Из результатов испытаний найдены оптимальные режимы высокоскоростного резания металлов для данной технологической системы:

• черновая обработка с шероховатостью поверхности по 4 классу должна выполняться при скорости - 750 м/мин (12000 мин-1), минутной подаче - 4800 мм/мин, производительности - 430 см куб/мин;
• получистовая обработка с шероховатостью поверхности по 6 классу должна выполняться при скорости - 850 м/мин (15000 мин-1), минутной подаче - 6000 мм/мин, производительности - 110 см. куб/мин.

Каждая технологическая система будет иметь свои оптимальные режимы резания. При их выборе необходимо соблюдать следующие правила:

• Балансировать все элементы роторной подсистемы не хуже, чем по 3-ему классу;
• Измерять виброскорость шпинделя перед и в процессе резания;
• Не допускать к эксплуатации шпиндель с вибрациями более 1.1 мм/с и биением оправки более 5 мкм;
• Прекращать обработку при росте вибраций шпинделя более 4.5 мм/с.

По сравнению с традиционной обработкой высокоскоростное фрезерование на станке с чпу обеспечивает:

• снижение сил резания на 30 % и более, что уменьшает деформацию обрабатываемой детали и позволяет обрабатывать тонкостенные детали к точности, формы которых предъявляются высокие требования;
• уменьшение температуры обрабатываемой детали;
• получение шероховатости обрабатываемой поверхности по качеству аналогичной абразивной обработке;
• сохранение точности обработки в течение длительного времени в результате снижения напряжений в станке и инструменте за счет уменьшения сил резания;
• увеличение подачи в 5–10 раз;
• рост производительности съема металла в 3–5 раз; – уменьшение вибраций инструмента и детали;
• снижение стоимости инструмента;
• снижение времени обработки на 40–70 % и стоимости на 20–50 %.