Високоскоростна механична обработка

Високоскоростната обработка (High Speed Machining) е съвременна технология за механично обработване на детайли посредством стружкоотнемане, която, в сравнение с използваните конвенционални методи, дава възможност да се повиши ефективността при обработка, точността и качеството на детайлите. Счита се за много подходяща при обработването на цветни метали, предимно алуминий, на закалени стомани, както и на трудно обработваеми материали. Това определя и широкото й използване при обработка на детайли за авиацията, при производството на щампи и пресформи, при производството на детайли с много малки размери и други.

Характерни особености на високоскоростната обработка
Високоскоростното обработване на материалите се свързва предимно с извършването на фрeзоващи операции и използването на машини с цифрово-програмно управление (ЦПУ), най-вече обработващи центри.

Характерното за този вид механична обработка е по-голямата скорост на въртене на вретеното, с което се цели достигане на по-добри резултати при обработка на материалите, по-гладки повърхности и по-голямо количество снет метал. Реализират се високи скорости на рязане, високи предавателни скорости, високи стойности на ускоренията на подавателните движения при бързите ходове и при работните движения. При обработването на материалите се наблюдава малко загряване на детайла и инструмента, а също така има възможност за обработка на материали с твърдост до HRС 60. В процеса на обработка не се налага използването на смазочно-охлаждащи течности поради ниското топлинно натоварване на инструмента и детайла, което се дължи на липсата на големи пластични деформации.

Добре е да се има предвид обаче, че технологията за високоскоростна обработка изисква използването на инструменти и машини, отговарящи на определени изисквания, свързани с високи скорости на обработка на детайлите. Условията, на които е необходимо да отговаря една машина, за да бъде класифицирана като високоскоростна, е да гарантира високи скорости на рязане от порядъка на 300 - 1000 m/min или в зависимост от диаметъра на инструмента оборотите на вретеното да са над 30 000 min-1 , а при финишни обработки и над 80 000 min-1. Сред основните изисквания са и високи подавателни скорости от порядъка на 60-90 m/min, високи ускорения в диапазона 1-3 G (m/s2), много висока работна точност и виброустойчивост на системата. Обикновено постигането на тези изисквания е свързано с проектирането на машини, предназначени специално за високоскоростна обработка. Те се характеризират с олекотена конструкция с цел постигане на висока динамика. Задвижването е предимно с линейни мотори, което улеснява постигането на големи ускорения, а за вретеното се използват предимно електромагнитни или аеростатични лагери.

Характерно за машините за високоскоростна обработка е и високите виброустойчивост и точност. Необходима е специална система за управление с възможност за управление на бързи процеси в реално време, измерване и диагностика. Също така липсват стружкотранспорт и големи инструментални магазини. Сред изискванията е и използването на специални високоскоростни инструментални държачи, специално сертифицирани за високоскоростна обработка, към които се поставят и високи изисквания предвид големите скорости на въртене.

Висока скорост на въртене на вретеното
За да се постигнат характеристики на високоскоростната обработка, е необходимо машините да отговарят на изключително високи изисквания относно динамично поведение, скорости на въртене, стабилност и виброгасене.

Постигането на висока скорост на рязане при постоянен диаметър на инструмента изисква увеличаване на скоростта на въртене на вретеното. Това изискване е особено валидно при обработването на детайли с прецизна геометрия, където диаметрите на режещите инструменти са много малки. Производителите предлагат вретена с честота на въртене от над 40 000 min-1 и въртящ момент над 6 Nm. Предлагат се и такива с честота на въртене до над 60 000 - 80 000 min-1.

За постигане на достатъчно подаване на зъб при такива високи честоти на въртене са нужни високи стойности на подаването и големи ускорения, което налага специфични изисквания към машините. В някои конструкции неподвижните елементи се изработват от полимер-бетон, а подвижните елементи, например плъзгачи - от сферографичен чугун или дори от леки метали.

Полимер-бетонът добива все по-голяма популярност, тъй като предоставя от 6 до 10 пъти по-голямо поглъщане на вибрациите в сравнение с чугуна и осигурява термична стабилност. Също така полимер-бетонната конструкция намалява разходите за производство и времето за асемблиране.

Подвижните корпусни елементи на машината се характеризират с голяма точност и възможно най-голяма стабилност и виброгасене. При тях се търси и минимална маса за постигане на добро динамично поведение при процеса на работа. За получаване на високи скорости и ускорения се използват и двустранно лагерувани сачмено-винтови двойки с голяма стъпка и предварително натягане на гайките, както и линейни електрозадвижвания. Важна особеност е, че възможностите на машината се определят от възможността за реализиране на максимално допустимо бързо преместване, позволено от параметрите на режима на обработка (получено чрез ускоряване на работния орган). В случай на честа промяна на посоката на работа (например при обработване на малки детайли), максималните стойности на ускорението се определят от максимално допустимото бързо преместване, а не от възможностите на задвижването.

В машините за високоскоростна обработка се вграждат и устройства за обратна връзка с висока разделителна способност, както и системи за контрол и управление с изключително висока скорост на обработване на информацията. Наред с използването на високотехнологични елементи по конструкцията, изискванията към машините се допълват и от възможностите за прецизна настройка на различни параметри като позициониране, скорости и ускорения. Това се налага от изисквания при обработване на различни типове детайли – при някои от тях се търси оптимално динамично поведение, при други постигане на висока точност и грапавост на повърхнините.

Едно от важните изисквания е високоскоростните машини да предлагат възможност за висока степен на автоматизация. С подобряване на безопасността и сигурността на високоскоростните процеси, машините практически се конструират да могат да работят без престой.

Използват се машини с 3, 4 и 5 управляеми оси
За високоскоростната се използват различни компановки металорежещи машини. Най-често се използват машини с три управлявани оси, с вертикална и хоризонтална компановка. При този процес се отнема материал с висока скорост и тук машините с хоризонтална компановка имат предимство при отделяне на стружките. В същото време машините с вертикална компановка са с по-ниска себестойност и по-често използвани за високоскоростна обработка.

Също така, макар да се използват предимно 3-осни машини, тенденцията е към използването и на машини с 4 и 5 управлявани оси, които дават повече възможности при обработката на детайла. При използването на машини с 4 управлявани оси например има възможност за наклоняване на оста на инструмента за подобряване на условията на рязане. От своя страна, машините с 5 управлявани оси и сменяеми шпиндели позволяват на една установка при едно настройване на машината да се изпълнят грубото, получистото и чистото обработване.

Необходими са режещи инструменти с повишена устойчивост
Високоскоростната обработка на детайли изисква използването на инструменти, подходящи за работа с по-високи скорости. Влияние оказва изборът на материал, използваното покритие, както и геометрията на инструмента. Сред често използваните инструментални материали и покрития за изработка на режещи инструменти за високоскоростна обработка са: кубичен борен нитрид, режещи керамики като AlO, SiN, SiCw , твърдосплавни материали с различни покрития като татаниев нитрид и титанов карбонитрид за инструменти, използвани за обработка на материали от легирани стомани с твърдост до HRC<42. При обработката на материали с твърдост HRC>42 се предпочитат инструменти от твърдосплавни материали с покритие от титан-алуминиев нитрид и алуминий-титанов нитрид. За специални приложения като твърдо струговане (60-65 HRC) се използват пластини от поликристален кубичен боронитрид със специално обработване на режещите ръбове.

Сред широко използваните материали за изработката на режещи инструменти за високоскоростна обработка са металокерамичните твърди сплави. От своя страна, инструментите от режеща керамика биват все по-предпочитани пред твърдосплавните инструменти при високоскоростната обработка поради повишената топлоустойчивост достигаща до около 1200 оС, което позволява да се обработват материали с по-голяма твърдост и при по-високи скорости. Характерно за инструментите от поликристални материали е максималната трайност при високи скорости на рязане. Разработени са два такива материала – поликристален кубичен борен нитрид (PCBN) и поликристален диамант. Едно от важните предимства на PCBN е неговата голяма топлопроводимост и нисък коефициент на термично разширение, което го прави по-малко чувствителен на топлинни натоварвания в сравнение с керамиките. Това е причината материалите да са термично стабилни при температури от 1400 оС до 1600 оС и да имат отлични режещи свойства при високи скорости на рязане. Считат са за много подходящи при обработка на материали с твърдост от порядъка на 45-65 HRC като твърди стомани, бързорежещи и труднообработваеми стомани, твърд и мек чугун, никелови сплави.

По отношение на размерите на режещите инструменти, възприета практика е за материали с твърдост HRC по-малка от 42 да се използват инструменти с диаметър от 12 до 35 mm с твърдосплавни пластини и с покритие от TiCN. За обработване на материали с твърдост по-голяма от 42 се предпочитат пластини с покритие от TiAIN. За инструменти с диаметър по-голям от 12 mm се използва предимно волфрамов карбид с 8-12% съдържание на кобалт.

Използват се специални държачи
Добре е да се има предвид, че за режещите инструменти, използвани за високоскоростна обработка, се препоръчва използването на специално сертифицирани за целта държачи със самозатягане. Към тези приспособления се поставят изисквания за точност (биене) и още по-строги изисквания към силата на затягане на инструмента при големите скорости на въртене. Необходимо е инструменталният държач да може да осигури стабилност на инструмента, висока точност – минимални биене, отлично захващане и повторяемост. С увеличаване на скоростта на въртене изборът на държач все по-силно влияе на ефективността на обработването.

Известно е, че инструментът е стабилен, когато има добър контакт по конус между държача и вретеното. При висококачествените държачи се осигурява над 80% контакт с вретеното.

Условията, необходими за осигуряване на точността на държача, са свързани със свеждане до минимум на биенето и добро затягане на режещия инструмент. Биенето на режещия инструмент води до намаляване на трайността му и до влошаване на качеството на обработваната повърхност. Добре е да се има предвид, че пренастройването на инструмента също оказва влияние върху точността.

Доброто балансиране поддържа трайността на вретеното. Небалансираност на държача може да предизвика използването на несиметрични компоненти, както и режещите инструменти, винответе, втулките и други.

Специалистите препоръчват, когато се избира държач, да се обърне внимание на конструкцията.

Общо правило е инструменталните държачи за високоскоростни обработки да имат много високи изисквания по отношение на конуса. Необходимо е конусът да има до 90% контакт с калибъра. Всички инструментални държачи би трябвало да имат симетрична конструкция, без изместване на тежестта.

Препоръчва се също инструменталният държач да е с възможно най-малка дължина. В случаите, при които е необходимо използването на по-дълги държачи, се препоръчва по възможност използването на конструкция от един елемент. В този случай държачът няма да е добре балансиран, но ще се осигури добра стабилност и точност.

Все по-често срещана практика е инструменталните държачи за високоскоростни операции да се балансират, преди да се използват на машината, за да се компенсират и двата фактора за дебаланс: конструктивните решения и небалансирането при сглобяването на инструмента. Магнитутът и разположението на необходимите компенсиращи маси се определят на специални балансиращи машини, след което тези данни се използват при ръчното балансиране на държача.

При високоскоростно фрезоване балансирането на държача е много важно за избягване преждевременно счупване на режещия инструмент и за получаване на добро качество на окончателно обработената повърхнина. Препоръчително е биенето да е под 0,005 mm. Практиката сочи, че за всеки 0,01 mm биене трайността на инструмента намалява с около 50%.

Влияние върху биенето окозва и видът на патронника. С много добри показатели по отношение на биенето се считат Shrink-Fit патронниците, а с добри показатели по отношение на радиалното биене се характеризират хидравличните патронници. Те се балансират лесно, но при голямо странично натоварване са с недобри характеристики. Добри резултати по отношение на биенето в момента на захващане показват фрезовите патронници. С малко биене се характеризират високопрецизните цангови патронници. Те са добре балансирани и със сравнително проста конструкция. Препоръчва се при избор на цангов патронник за високоскоростно обработване да се избере цангов патронник с висока точност. Също така се препоръчва в случаите, когато това е възможно, да се използва минималният размер на разтваряне на цангата, свързан с размера на отвора, т. е. да се използва най-големият размер на отвора за най-малкия размер на разтваряне на цангата, за да се получи най-голяма затягаща сила при най-малка маса на патронника. Това спомага за запазване на ниска центробежна сила и за получаване на високи скорости. Така диаметърът на патронника ще бъде по-малък и той ще тежи по-малко.

Високоскоростни вретена
Основен елемент на всяка високоскоростна машина е вретеното с висока честота на въртене в диапазона 10 000 - 60 (80) 000 min-1 . Предвид условията им на работа при проектирането и избирането им се предявяват редица изисквания. Важни особености са типът на задвижването, начинът на монтиране на лагерите, техният брой и начинът им на смазване, типът на мотора, на инструменталната система, инструменталния държач.

Обикновено изборът на вида задвижване на вретеното - ремъчна предавка или интегриран, се определя в зависимост от изискванията към машината като желана максимална скорост, мощност и др.

При използването на ремъчна предавка се дава възможност за промяна на характеристиките мощност, момент и скорост. Те са зависими от двигателя, но могат да бъдат променяни чрез промяна на преводното отношение. Възможно е и постигането на висока мощност и въртящ момент. Като недостатъци на този вид задвижване се посочват ограничеността на максималната скорост и високите натоварвания на съединенията следствие от използването на ремъци.

Обикновено поради ограниченията по отношение на максималната скорост, задвижваните от ремъчна предавка вретена се използват до максимална скорост на вретеното около 12 000 -–15 000 min-1 . Мощността на този тип вретена обикновено достига до около 25 kW.

Интегрирането на мотора във вретенния възел позволява постигането на по-високи скорости на въртене на вретеното. От друга страна, в този случай електрическият двигател е част от вала на ротора, което налага известни ограничения по отношение на размера и обема на двигателя, които зависят от наличното пространство. Сред най-често използваните двигатели са АС индукционните двигатели.

Основен момент при проектирането на високоскоростното вретено е огъването. Честотата, при която валът ще попада в резонанс, зависи от диаметъра и дължината на вала на вретеното. Често в практиката се налага разработването на много дълги валове, което води до увеличаване на натоварването на вретеното и дава възможност за използване на по-мощен двигател. Добре е да се има предвид обаче, че увеличаването на дължината може да доведе до нежелани резонанси в работната зона. Това може да се избегне чрез увеличаване на диаметъра на вретеното или намаление на дължината на вала.

Интегрираните мотори обикновено са трифазни, поради което е необходима специална електроника за управление на захранването. Тази електроника осигурява променливо напрежение и честота към мотора.

Един от най-критичните елементи от всеки високоскоростен вретенен възел е системата на лагеруване. Необходимо е лагерите да бъдат съобразени с изискванията към вретеното, което трябва да осигурява висока скорост на въртене, пренася висок въртящ момент и мощност и съответно е необходимо да ги предава на инструмента без вибрации.

Високоскоростната обработка с все по-широко приложение
Високоскоростната обработка се счита за много подходяща при обработването на легирани стомани в твърдо състояние. Постига се намаляване на довършителните операции по почистване на обработвания детайл, елиминират се деформациите, ако операциите по почистване са след термообработването, повишава се качеството на обработваните повърхнини и се намаляват разходите.

При изработването на пресформи, щампи и матрици от инструментална стомана с висока твърдост високоскоростното фрезоване в редица приложения може да замени електроерозийната обработка.

При използване на високоскоростно фрезоване е възможно и обработването на много тънки стени, но е добре да се има предвид, че в този случай се препоръчва рязане с челото на фрезата. От особена важност е времето на контакт между режещия ръб на инструмента и детайла да бъда много кратко.

В последните години високоскоростно фрезоване се използва при обработването на леки сплави (никелови, титаниеви) и биметални композити, при което се постига по-висока производителност и високо качество на изделията при по-ниски разходи.

Статията е разработена със съдействието на проф. Георги Тодоров, ТУ София