Машини и инструменти за обработка с големи подавания (HFM)

За да останат конкурентоспособни на динамичния съвременен пазар, машиностроителните предприятия непрекъснато търсят решения за разходно-ефективна оптимизация на производителността. С тази цел се разработват подобрени версии на традиционните процеси и се прилагат нови стратегии за механична обработка. В практиката се внедряват усъвършенствани материали за изработка на инструментална екипировка, залага се на иновативни технологии при покритията и модифицирани геометрии на режещите инструменти.

Сред най-ефективните методи за повишаване на производителността в множество технически приложения е механичната обработка с големи подавания (High Feed Machining, HFM). За разлика от високоскоростната обработка, тук не са необходими високоскоростни шпиндели. В допълнение, методът не изисква никакви по-специални приспособления или работни условия. Механична обработка с големи подавания може да бъде извършвана на повечето модерни металообработващи машини.

Днес все повече машиностроителни предприятия инвестират във високоефективни обработващи машини и центри с ЦПУ, както и в CAM софтуер от последно поколение. Тези технологии създават отлични възможности за обработка с големи подавания, като HFM фрезоването е сред най-предпочитаните производствени методи в много модерни цехове поради големия му потенциал за повишаване на ефективността. Оптимизация се постига главно чрез увеличаване скоростта на подаване за сметка на намаляване на дълбочината на рязане.

Обработка с по-малка дълбочина същевременно осигурява по-равномерно отнемане на материал, като така в много случаи дори не се налагат полу-довършителни работи за подобряване качеството на повърхностите. Това допълнително спомага за увеличаване на цялостната производителност и съкращаване на процеса по изработка на изделието. Сред основните задачи при проектиране на оборудване, подходящо за механична обработка с големи подавания, е машината да се осигури с достатъчно бърза и адекватна система за управление.

Същност и специфики на метода

Най-общо, HFM е метод за груба механична обработка с големи темпове на отнемане на материал, разработен с цел увеличаване на производителността и съкращаване на времето за изработка на широка гама от метални изделия. При него се използва по-малка дълбочина на рязане (обикновено не повече от 2 мм), като в резултат се отделят по-тънки стружки, пренасящи топлината от процеса далеч от режещия ръб на инструмента.

В допълнение, при този метод подаването на зъб е до пет пъти по-голямо в сравнение с конвенционалното фрезоване. Така се намалява количеството генерирана при обработката топлина, с което се постига увеличен живот на инструментите и много по-голяма производителност на стружкоотнемане. В резултат производителността на стружкоотнемането достига или надвишава 1000 кубически сантиметра в минута, което е с 200 до 300% повече в сравнение с традиционните фрезови операции.

Това става възможно благодарение на малките установъчни ъгли на разполагане на инструмента спрямо обработваната повърхност (Ј45°). В резултат са налице минимални радиални и максимални аксиални сили на рязане. Подобно на аксиалното врезно шлифоване (plunging), и тук режещите сили са насочени към шпиндела на машината в аксиална посока, което намалява риска от вибрации и стабилизира процеса на рязане. Това, от своя страна, позволява и много по-интензивни режими на рязане.

Друга предпоставка за икономия на време при механичната обработка с големи подавания е по-малкият брой операции. Тъй като HFM с малките си дълбочини на рязане създава повърхности с близко до желаното крайно качество, полу-финишните операции в много случаи могат да бъдат избегнати, което опростява технологичния процес. Допълнително предимство е фактът, че машината не се налага да генерира повишена скорост на въртене.

Процесът предлага изключително висока производителност, почти утроява скоростта на отнемане на метал в сравнение с конвенционалните методи за механична обработка и значително увеличава живота на инструментите. Задължително условие за безпроблемното прилагане на метода обаче е машината да притежава необходимата стабилност, виброустойчивост и скорости на работните подавания, за да се отговори на големите скорости на движение на инструмента. Повишени са изискванията и към системите за управление, които трябва да имат достатъчно високо бързодействие. Препоръчително е HFМ фрезоване да се извършва на по-нови обработващи машини, чиито характеристики са съобразени със специфичните потребности на метода.

Стратегия за обработка

За да бъде разработена и приложена успешна цялостна стратегия за механична обработка с големи подавания, е необходимо детайлно запознаване с необходимото оборудване и производствената задача. Водещ приоритет е необходимостта от подходяща система за цифрово програмно управление, висока точност на шпиндела и термична стабилност. Високи са изискванията и към CAM софтуера, който трябва да позволява прилагането на стратегии за изглаждане на следите от движение на режещия инструмент, например заобляне на ъгли или спираловидни траектории на рязане. Плавните траектории на движение на режещия инструмент осигуряват по-фино отнемане на слоевете материал и съответно – по-добро качество на повърхността. Спираловидното движение пък съдейства за намаляване на силите на рязане и консумацията на енергия.

От критично значение за безпроблемното приложение на метода са сменяемите пластини на фрезите. Те трябва да са плътни, с голям радиус и отчетлива геометрия в режещата зона. Това позволява работа с висока подавателна скорост при запазена надеждност и безопасност на метода. В повечето приложения на механичната обработка с големи подавания триъгълните вложки се предпочитат пред кръглите, тъй като осигуряват предимно аксиална сила на рязане. Разбира се, има приложения, при които по-подходящи са квадратните пластини с малък установъчен ъгъл.

Такива са операциите по груба механична обработка с големи подавания, при които се използват мощни металообработващи машини в стабилни работни условия, например хоризонтално фрезоване. В такива случаи стружкоотделянето е по-ефективно с квадратни сменяеми пластини. Триъгълните пластини са препоръчителни за вертикални обработващи операции на по-компактни машини с високи скорости на обработка, тъй като така процесът е по-безопасен и с по-добри условия за ефикасно стружкоотделяне.

Друга особеност на триъгълните сменяеми пластини е, че се позиционират с възможно най-малък установъчен ъгъл в сравнение с кръглите и квадратните пластини. Така се отделят много по-тънки стружки, което, от своя страна, изисква по-големи подавания, за да се поддържа адекватна дебелина на стружките спрямо геометрията на режещия нож. По-малкият установъчен ъгъл също насочва силите на рязане в аксиално направление нагоре по линията на шпиндела, което спомага за по-стабилна и щадяща оборудването обработка. По-големите установъчни ъгли водят до образуването на по-дебели стружки, налагащи по-малки подавания. Така обаче се генерират радиални сили, пораждащи вибрации и механични напрежения върху лагерите на шпиндела.

Приложения

Челното фрезоване, извършено с големи подавания (особено в приложения с големи обеми на продукцията), е отличен метод за производство на детайли, готови за последващи операции или финишна обработка. В повечето подобни приложения се постига толкова добро качество на детайла, че е необходима само дадена финишна операция за превръщането му в готово изделие.

Механичната обработка с големи подавания обикновено включва отнемане на материал от едрогабаритни метални блокове, което най-често налага използването на режещи инструменти с големи диаметри. Предпочитана конфигурация за много приложения са триъгълните пластини за фрези с модулни касети. Фрезоване с големи подавания не се препоръчва за голяма част от популярните меки обработваеми материали.

HFM е високоефективен метод при фрезоването на кухини и особено при производството на щанци и пресформи. Изборът на обработващи инструменти и работни режими изцяло зависи от вида на изделието, неговите размери, твърдостта на обработвания материал и стабилността и виброустойчивостта на носещата система на машината.

Фрезоването с големи подавания е практичен избор при обработката на неравни повърхности. При спирална интерполация методът HFM е подходящо решение за изработване на отвори с голям диаметър, тъй като предварителната обработка или разпробиване могат да бъдат пропуснати. Фрезите за рязане с големи подавания влизат в минимален контакт със стенните секции на компонентите. Предимство е по-стабилната обработка в сравнение с конвенционалните фрези с установъчен ъгъл 90°.

Обработка с големи подавания може да бъде прилагана и при рязане, особено на труднообработваеми материали като титан и различни сплави.

Предимства

Механичната обработка с големи подавания е подходяща за изпълнение както с монолитни твърдосплавни режещи инструменти, така и с такива със сменяеми пластини. Тя позволява до десет пъти по-големи подавания отколкото при традиционното грубо фрезоване.

Основно предимство на метода е, че е лесен за изпълнение. Тъй като е необходима малка аксиална дълбочина на рязане, технологията е подходяща за голям набор габаритни дължини на инструменти. Тя позволява изпълнение и на модерни CAM-генерирани траектории, даващи възможност за максимално агресивно рязане. Не на последно място, предимство е и високото качество на обработваните повърхности, които в голяма част от случаите не се нуждаят от последваща полу-финишна обработка, а само от съответната финишна операция.

Методът се отличава и с висока гъвкавост – с подходящата геометрия на режещата пластина и правилната настройка за обработка с големи подавания може да се фрезоват отвори със спирална интерполация, да се извършва контурно фрезоване, както и да се фрезоват плоскости, успоредни на оста на фрезата – и понякога всичко това с една настройка. Тези възможности са ключови, особено за машини с малки инструментални магазини.

HFM обработката е подходяща и за металообработващи машини с по-малка мощност, като това значително разширява приложенията им.
Технологичният напредък при различните класове материали за режещи инструменти и иновациите при подготовката на режещите ръбове превръщат обработката с големи подавания от доказана в практиката техника в модерен и високопродуктивен производствен метод, увеличаващ живота на инструмента и енергийната ефективност на процеса.

Благодарение на широкото му навлизане в практиката, HFM фрезоването се превръща в предпочитано решение за рязане на труднообработваеми материали, а днес в машиностроенето се използват много повече такива в сравнение с преди десетилетие. Обработката с големи подавания може да не е най-подходящата техника за рязане на сив чугун или по-меки стомани, но е отличен избор за твърди стомани, свръхсплави или труднообработваема неръждаема стомана. Възможността на метода да съкрати цикъла на обработка на материали с висока твърдост или при изработката на триизмерни форми с обемно-профилни повръхнини е ключов фактор за все по-масовото му прилагане в модерните машиностроителни цехове. Фрезоването с големи подавания е добро решение и за минимизиране на радиалното отклонение, което създава по-добри възможности за обработка на детайли с по-труднодостъпни за инструментите зони.

Изисквания към машините

Възможностите за оползотворяване на потенциала при обработка с големи подавания зависят до голяма степен от способността на металообработващата машина да обезпечи безпроблемно процеса. За целта е необходимо машината да поддържа съответните скорости на подаване, а системата за ЦПУ – да е способна да обработва информация достатъчно бързо и адекватно, за да отговаря на скоростта на обработка.

Важна задача е инструменталната екипировка да се съобрази с машината и производственото приложение, за което ще се използва. Популярен избор са режещите инструменти със сменяеми пластини с диаметър 50 мм. Голяма част от по-старите металообработващи машини обаче не разполагат с достатъчна мощност и въртящ момент ефективно да използват такива инструменти. В такива случаи може да се приложи обработка с по-малки подавания и дълбочини на рязане, което обаче намалява ефективността на процеса. Рязането с инструмент с по-малък диаметър би позволило по-голяма дълбочина на обработка и по-големи подавания, осигурявайки необходимата ефективност.

Както вече споменахме, основно изискване към управленията на машините е да предлагат достатъчна бързина на обработване на програмния блок, така че да може да се осигури подаване със съответните високи скорости. При някои по-стари модели (например дадени машини от 80-те години на миналия век) е налице ограничение на подаването до около 1000 мм/мин. За обработка с големи подавания обаче се счита рязане с подаване на 10 пъти повече материал. Ето защо при планирането на такава механична операция е добре да се предвиди дали наличното оборудване поддържа съответния режим на работа и въпросните параметри по отношение на подаванията.

Ключово изискване към машината, на която ще се извършва механична обработка с големи подавания, е и тя да разполага с достатъчно модерен софтуер, поддържащ най-съвременните стратегии за HFM фрезоване. За изработване на по-малки детайли са подходящи машини с по-големи ускорения.

Инструменти и държачи

На пазара се предлагат специални фрези за обработка с големи подавания, които са с едностранни сменяеми пластини, специално проектирани за рязане на труднообработваеми материали. Те генерират по-малко топлина в сравнение с инструментите с двустранни пластини.

Режещите инструменти, предназначени за фрезоване с големи подавания, се отличават от стандартните фрези по няколко основни показателя. Обикновено инструментите за HFM рязане са с установъчен ъгъл от порядъка на 10-20°. Така се постига по-малка дебелина на стружката, позволяваща прилагане на по-високи темпове на подаване в сравнение с традиционните инструменти за фрезови операции.

Изискванията по отношение на държачите за инструменти и приспособленията за затягане на детайлите също се различават от тези при стандартното фрезоване. При обработката с големи подавания е задължително изключително стабилното затягане на инструмента предвид големите сили, които се оказват върху заготовката.
Традиционните цанги и държачите за палцови цилиндрични фрези – с два регулиращи винта за захващане на инструмента, биха го избутали встрани от центъра при големи подавания, предизвиквайки повишено износване и скъсяване на живота на инструменталната екипировка. HFM методът изисква здраво захващане на инструмента, което не допуска радиално и аксиално изместване на инструмента по време на рязане.

Тъй като голяма част от режещата сила при обработка с големи подавания се насочва нагоре по оста на шпиндела, е възможна работа при по-големи габаритни дължини в сравнение с конвенционалните фрези. По-малко е и натоварването на шпиндела, тъй като се прилага по-малка радиална сила в зоната на рязане.

Особености на обработваемите материали

Изборът на инструмент за механична обработка с големи подавания зависи от вида на обработваните материали. За огнеупорни сплави като инконел и хастелой и други сплави на базата на никел експертите препоръчват едностранни пластини с положителна геометрия, които позволяват по-свободно рязане. Двустранните пластини с двойна негативна геометрия са подходящи за въглеродни стомани и леснообработваеми материали.

Положителните геометрии с три режещи ръба режат плавно и чисто без да генерират прекалено много топлина, което ги прави отлично решение за меки материали и неръждаеми стомани. Фрезите за обработка с големи подавания с негативни геометрии и пластини с шест режещи ръба пък са предназначени за абразивни материали като нисковъглеродни стомани и чугуни. Предвид геометрията, пластината се отличава с по-здрави режещи ръбове, които обаче генерират повече топлина и по-големи сили на рязане.

Тъй като по време на цикъла на обработка инструментът не се вдига от детайла, рискът от повторно стружкоотрязване и счупване на пластината значително намалява. В съвременната машиностроителна практика HFM обработката се използва все по-често за обработване на отвори. Тя е около шест пъти по-бърза в сравнение с пробиването, а един фрезов инструмент е способен да изработи различни отвори с голям набор от диаметри. Така се намаляват времетраенето на процеса, общите разходи и необходимостта от големи инструментални магазини.

В много модерни приложения се залага на обработката с големи подавания с фрези с правоъгълни пластини. Предимство тук е фактът, че пластината в тази си форма не заема прекалено много място в корпуса на режещия инструмент в сравнение с триъгълните или квадратните пластини. Това означава, че една фреза може да побере по-голям брой пластини при един и същ диаметър.