Инструменти за високоскоростна (HSM) и високопрецизна обработка (HPM)

Списанието на българската индустрия – Инженеринг ревю, представя темата Инструменти за високоскоростна (HSM) и високопрецизна (HPM) обработка. В настоящия брой читателите могат да прочетат разработката на проф. д-р Галина Николчева и проф. дтн Георги Попов от Техническия университет в София.

Редакцията ще предостави думата на водещите доставчици на пазара, които в брой 9 на списанието да споделят мнението си за технологичните тенденции, както и да представят продуктите си.

Bисокоскоростното фрезоване възникна и се разви през 80-те години на 20-ти век. Неговото означение в западната литература е HSM (High Speed Milling). Това понятие притежава различни специфики:
• екстремни честоти на въртене на вретеното;
• значително увеличение на подавателните скорости;
• такива скорости на рязане, при които инструментът и детайлът остават студени;
• при обработка на сложни 3D-повърхнини на закалени стоманени детайли става излишно допълнителното шлифоване и полиране.

В последно време на преден план излиза голямата стружкова производителност. За да бъде постигната тя обаче, е необходимо трите фактора: мощността на вретеното, честотата на неговото въртене и подавателната скорост, да бъдат съгласувани в подходящо съотношение.
Скоростите на рязане при HSM варират според обработвания материал между 1000 и 7000 m/min. Тези скорости са възможни само при използване на съвременни инструментални материали и съответно гарантиране на необходимата трайност на инструментите.

Тези особености на HSM превръщат познатия метод на конвенционално фрезоване в принципно различен процес, определен от променения механизъм на процеса на рязане. Противно на конвенционалното фрезоване, при HSM с увеличаване на скоростите на рязане и работното подаване над определени стойности се получава незначително износване на инструмента, сравнен с други режими на рязане.

Към инструментите за HSM има специфични изисквания по отношение на избора на материала, покритията и геометрията на инструмента, съобразени с условията на рязане. Всички те определят с какво топлинно натоварване може да работи инструментът. Особеното при избора на материал е, че в зависимост от приложението и от конкретния обработваем материал се използват различни инструментални материали, с различни покрития.

За обработване на лят чугун се използват инструменти от CBN и режещите керамики (Si3N4), твърдосплавните материали (WC) с покритие от TiN и TiCN са предпочитани за обработване на легирани стомани с твърдост до HRC<42 и с покритие TiAlN и AlTiN за обработване на материали с твърдост HRC>42. За специални приложения като твърдо струговане (60-65 HRC) се използват пластини от РCBN със специално обработени режещите ръбове.

Материали
Повечето режещи инструменти, проектирани за HSM, се правят от WC. Големината на зърната на WC влияе на твърдостта, жилавостта и якостта на режещите ръбове. Типичните сортове WC имат 2-5 mm големина на зърната и твърдост по Рокуел 89-93. При високоскоростни обработки за ротационни инструменти се използват сортове WC с ултрадребни зърна (0,2 - 0,5 mm) със съдържание на кобалт от 6 -16%.

Други използвани материали за HSM са: режещи керамики (Al2O3, SiN и SiCw) и поликристален диамант (PCD). За избягване на счупването на инструментите от керамика, се разработват керамични композитни материали.

Режещата керамика - силициев карбид (SiCw) - ускер e проектирана така, че да обедини в себе си висока издръжливост, превъзходна устойчивост на разрушение, топлоустойчивост и износоустойчивост. Ускерът е прекъсната иглообразна нишка с размер от 0,1 - 1 mm в диаметър и с дължина от 5 -100 mm.

Керамиката SiCw - ускер се използва много успешно при HSM на алуминиеви и титаниеви сплави, както и на сплави на основата на никел. От нея се изработват сменяеми режещи пластини (СРП) и монолитни палцови фрези, като се постига високо качество на обработваната повърхнина.

PCBN заедно с диамантите има най-голяма трайност при високи скорости на рязане. Използва се при HSM на материали с твърдост 45 - 65 HRC - твърди стомани, бързорежещи и труднообработваеми стомани, твърд и мек чугун, никелови сплави. Колкото твърдостта на железните материали е по-висока, толкова ефектът от използването на PCBN е по-голям в сравнение с WC.

Композитните сортове на PCBN много добре се използват за високоскоростно фино обработване на твърди стомани и за прекъснати и непрекъснати фини операции при твърд и мек леярски чугун.
В последните години се разработват нови нанопокрития, които се използват за HSM на твърди материали (40 - 65 HRC).

Геометрия на инструмента
Геометрията на инструментите за високоскоростно фрезоване се променя спрямо стандартната, за да отговори на условията на работа. Тя включва: форма на пластините, геометрия на стружкочупещите канали по предната повърхнина, геометрия на оформянето на режещите ръбове, геометрични параметри.

Използването на високи скорости при фрезоване на високотвърди материали за чисти обработки изисква:
• грубата обработка да се провежда с максимално отнемане на метал;
• обработената повърхнина да бъде с параметри, близки до тези на чистовата обработка, така че да се получава относително постоянно чистово обработване (0,05 до 0,5 mm).
По тази причина при високоскоростно фрезоване трябва внимателно да се подбира геометрията на пластините.

Предни и задни ъгли на инструмента
При HSM се използват фрези с положителна геометрия, при която пластините са с плоска предна повърхнина и с положителен заден ъгъл и фрези със смесена геометрия. Пластините при тях са с профилна предна повърхнина, положителен преден и задни ъгли на режещия ръб. Главният преден ъгъл се увеличава благодарение на вълнообразната форма на режещия ръб, получена от стружкочупещите канали.

Режещи ръбове
В последните години повечето водещи производители на инструменти разработват пластини с винтов режещ ръб. Криволинейният винтов режещ ръб влияе на изменението на предния и задния ъгли по време на фрезоването. Всеки режещ ръб навлиза постепенно в заготовката, при което силите на рязане също се увеличават постепенно. От този тип пластини има квадратни, правоъгълни и ромбоидни за обработване на рамена под 90°, чела и джобове.

Режещите ръбове на палцовите фрези със сферичен край се правят къси и с малка дължина на контакта, с оглед отделянето на по-малко топлина и намаляване на риска от вибрации. Това се отнася както за монолитните, така и за фрезите със сменяеми режещи пластини. Конструкцията, която се е наложила за HSM при обработване на високотвърди материали е палцова фреза със сферичен край и кръгли индексирани сменяеми пластини с един или два режещи ръба. Пластините са от WC или от PCBN.

Стружкови канали на палцовите фрези
Типично за HSM е, че дълбочината на рязане ap и ae и средната дебелина на стружката hm са по-ниски, сравнени с конвенционалното фрезоване. Количеството отнет материал Q е много по-малко, съответно и образуваните стружки са по-малко, отколкото при нормално обработване, с изключение на обработването на алуминий и някои нежелeзни материали и на чистовите операции на всички видове материали.

Затова размерите на стружковите канали не е необходимо да са големи и каналите трябва да са максимално къси. Инструментите с минимални размери на стружковите канали са по-здрави и по-стабилни. Това позволява режещият инструмент да се прави с възможно най-големия диаметър на стеблото, като не се включват каналите. Така стабилността е по-голяма, което е подходящо за високи скорости на обработване.

Опашка на инструмента
Опашките на палцовите инструменти със сферичен край се правят с възможно най-голям диаметър с оглед стабилността и момента на огъване. Опашката на тялото на инструмента се изработва от стомани или WC. Карбидните опашки се използват при приложения с много висока точност.

Дължината на опашката, съответно конзолността на инструмента, директно влияе на неговата стабилност. При по-малка стабилност се отделя повече топлина, което предизвиква вибрации. Максималната скорост на въртене на инструмента зависи от неговата конзолност. Колкото е по-къса цилиндричната опашка на инструмента, толкова по-голяма е скоростта на въртене.

Конструкции сглобяеми инструменти
Фирмите създават уникални конструкции инструменти за HSM, предназначени за конкретни приложения. Тенденцията е телата да са леки (от алуминий), като много лекото тяло на инструмента не само предпазва вретеното на машината, но и създава много малък инерционен момент. Има разработени конструкции на фрезови глави от PCD с тяло от алуминий.

За високоскоростно обработване на нежелезни материали с висока точност е разработена челна фреза. При по-големите размери фрези телата са от алуминиева сплав за намаляване на теглото или от твърда стомана за по-голяма стабилност.

Конструкции монолитни инструменти
При монолитните инструменти има голямо разнообразие от геометрии (брой зъби, ъгли g, a, w, подточвания).

Челно-цилиндрични палцови фрези
На пазара се предлага специалната серия монолитни WC палцови фрези, които са проектирани за HSM. Те са с диаметри от 0,4 до 25 mm. Има палцови фрези с 2, 4 и 6 пера, с ъгъл на наклона на винтовия канал w от 30° до 50°.

Проф. д-р Галина Николчева,
проф. дтн Георги Попов – ТУ София

За авторите:
Проф. д-р Галина Николчева е преподавател в катедра "Технология на машиностроенето и металорежещи машини" (ТМММ) на ТУ София от 1981 г. Научните й интереси са в областта на рязането, режещите инструменти и екипировка, интелигентните методи в индустрията и др.

Проф. дтн Георги Попов е преподавател в катедра ТМММ на ТУ София от 1976 г. Научните му интереси са в областта на проектирането, конструирането, изпитването, поддържането, ремонта, модернизацията и диагностиката на производствената техника, интелигентните методи за проектиране в машиностроенето, реконфигуриращите се производствени системи и др. През 2014 г. е удостоен от ТУ Варна с почетното звание "доктор хонорис кауза".

Високоскоростната механична обработка гарантира висока ефективност
на процесите
В съвременната практика за обработването на цветни метали (предимно алуминий), закалени стомани и трудно обработваеми материали все по-масово се използва високоскоростна обработка (High Speed Machining), тема, която сп. Инженеринг ревю разгледа обстойно в своя брой 1/2013.

Както е известно, тази технология се състои в механично обработване на детайли с висока скорост посредством стружкоотнемане и дава възможност да се повиши ефективността, точността и качеството на изделието в сравнение с използваните конвенционални методи. Това определя и постепенното й навлизане сред предпочитаните технологии за изработка на детайли за авиацията, щампи и пресформи, детайли с много малки размери и др. Използват се предимно машини с цифрово-програмно управление (ЦПУ), най-вече обработващи центри.

С високоскоростна обработка се постигат по-добри резултати при механичното обработване на материалите, по-гладки повърхности и по-голямо количество снет метал. Технологията прави възможна и обработката на материали с твърдост до HRС 60.

Постигането на висока скорост на рязане при постоянен диаметър на инструмента налага значително увеличаване на скоростта на въртене на вретеното, особено при обработването на детайли с прецизна геометрия. Ниското топлинно натоварване на инструмента и детайла обаче елиминира нуждата от смазочно-охлаждащи течности.

Високоскоростната обработка изисква инструменти и машини, отговарящи на определени критерии. За да бъде класифицирана една машина като високоскоростна, е необходимо тя да гарантира високи скорости на рязане от порядъка на 300 - 1000 m/min, високи подавателни скорости (60-90 m/min) и високи ускорения в диапазона 1-3 G (10-30 m/s2). Важни особености са типът на задвижването, на мотора, инструменталната система, инструменталният държач.

Машините, предназначени специално за високоскоростна обработка, се характеризират с олекотена конструкция с цел постигане на висока динамика. Задължителни са и много високата работна точност, стабилност и виброустойчивост на системата.

Наред с използването на високотехнологични елементи по конструкцията, изискванията към машините се допълват от възможностите за прецизна настройка на различни параметри като позициониране, скорости и ускорения. От съществено значение е да са налице и възможности за висока степен на автоматизация.

За високоскоростната обработка се използват различни компановки металорежещи машини – най-често с три управлявани оси, с вертикална и хоризонтална компановка.
Високоскоростната обработка дава отлични резултати при обработването на легирани стомани в твърдо състояние, като изисква по-малко довършителни операции по почистване на обработвания детайл и повишава качеството на обработваните повърхнини.

Високоскоростното фрезоване може да замени електроерозийната обработка при изработването на пресформи, щампи и матрици от инструментална стомана с висока твърдост в редица приложения. В последните години високоскоростно фрезоване се използва при обработването на леки сплави (никелови, титаниеви) и биметални композити. Предимства са по-високите производителност и качество на изделията при по-ниски разходи.