Высокая скорость резания является естественной чертой высокоскоростной обработки. Понятно, что используемый инструмент должен отвечать определённым критериям точности – это условие необходимо не только для обеспечения собственно точности обработки, но и следует из механики быстро вращающегося тела. В последнее время вопросы точности инструмента стали рассматриваться и в несколько ином ракурсе. Что является тому причиной? Почему высокоскоростная черновая обработка становится всё более и более популярной? Что предлагает инструментальное производство в качестве ответа на новые запросы машиностроительных отраслей?
Начало активного использования высокоскоростного резания в металлообработке относится к девяностым годам ХХ столетия. Успех новых методов производительного снятия материала обеспечил их популярность в различных отраслях промышленности и привёл к знаковым изменениям в технологии и станочном парке предприятий. Неоспоримые достоинства высокоскоростной обработки (ВСО) сегодня хорошо известны и подробно освещаются в различных источниках технической информации. В последнее же время промышленность проявляет особую заинтересованность в точном высокоскоростном резании и в соответствующем инструменте.
Точная (прецизионная) обработка означает следование строгим допускам на параметры, получаемые в ходе операции, и гарантию их повторяемости. Разумеется, экономически целесообразный уровень "строгости" зависит от вида обработки: точение, фрезерование, сверление и т. п., а также от типа операции: черновая, получистовая, чистовая. Прогресс в технологии и особенно в методах получения заготовок – предварительно произведённых полуфабрикатов, требующих дальнейшей механической обработки – поставил в фокус рассмотрения вопрос точной ВСО.
Высокоскоростная обработка прочно укоренилась в ведущих отраслях промышленности. В производство штампов и пресс-форм ВСО, как способ существенного сокращения сроков изготовления, принесла действенную альтернативу традиционным методам. В авиастроении широко распространилось производительное резание труднообрабатываемых жаропрочных суперсплавов на высоких скоростях с использованием инструмента из керамики. Что же касается выпуска деталей из алюминия, здесь ВСО просто превратилась в ежедневную реальность.
В то же время инъекционное формование, точные литьё и штамповка, успехи в порошковой металлургии, а сегодня и трёхмерная печать позволили максимально приблизить профиль заготовки к конечному очертанию детали. В результате наблюдается падение потребности в нагруженных черновых операциях резания, связанных со снятием значительного припуска.
Сокращение припуска приводит к ощутимым преимуществам: снижение потребляемой мощности, уменьшение тепловыделения, улучшение чистоты поверхности обработки и т.д. Точная ВСО, которой свойственно удаление небольшого слоя материала, становится логическим продолжением передовых технологий производства заготовок.
Обычно высокоскоростное резание связывают с вращающимся инструментом, чаще всего с фрезами. В ряде случаев детали сложного профиля изготавливаются из сплошного материала. И здесь ВСО предложила эффективное решение: черновое трохоидальное фрезерование.
В соответствии с данной техникой быстро вращающаяся фреза движется по сложной криволинейной траектории, снимая тонкие, но широкие слои материала. Получаемая таким образом форма детали очень близка к конечной, а оставшийся малый припуск удаляется на последующей операции чистовым высокоскоростным фрезерованием. Типичным примером описанного процесса служит производство блисков (моноколёс) и импеллеров. Таким образом, в данном случае трохоидальное фрезерование можно считать "точной черновой" или, как ни парадоксально это звучит, "точной грубой" обработкой.
Успех высокоскоростной обработки определяется следующими ключевыми элементами: станком, стратегией резания, инструментом, надёжностью закрепления. Современные многокоординатные станки, сконструированные специально для ВСО, располагают большим крутящим моментом, быстроходными приводами главного движения и подачи, эффективными контроллерами и развитым программным обеспечением. Их возможности по реализации различных эффективных стратегий резания для ВСО поражают воображение.
Сегодняшняя инструментальная оснастка гарантирует высоконадёжное закрепление инструмента в значительно расширенном диапазоне частот вращения. В условиях столь заметного прогресса в станках и оснастке иногда не уделяют должного внимания собственно режущему инструменту (РИ), хотя, оказывается, именно на нём его и стоит сфокусировать. По сравнению с другими элементами он меньше в размерах и не выделяется конструктивной сложностью. Возможно, именно эта кажущаяся простота объясняет затянувшееся отсутствие революционных изменений в РИ, а также и то, что инструмент часто становится сдерживающим фактором для полного раскрытия потенциала передового металлообрабатывающего оборудования. Вот почему каждое усовершенствование упомянутого малого элемента может оказаться настоящим прорывом, и изготовители РИ прилагают массу усилий для кардинального улучшения своей продукции. Инструментальная промышленность находится в постоянном развитии в поисках новых решений, способных дать надлежащий ответ на запросы металлообрабатывающих производств, внедряющих передовые технологии.
Время не изменило основных требований к РИ: ожидается, что он будет эффективным и при обработке в условиях возросших скоростей резания и подач. Уменьшение операционных припусков приводит к дополнительному ужесточению параметров точности инструмента. В идеальном виде РИ для ВСО выглядит как высокоточное хорошо сбалансированное изделие, демонстрирующее высокие рабочие показатели в сочетании с высокой стойкостью в условиях вращения с высокой частотой.
Компания ISCAR, которая считает своим основополагающим принципом постоянные инновации, предлагает своему потребителю немало решений для продуктивной ВСО, и весомая часть таких изделий относится к монолитному РИ.
Больше зубьев, меньше вибраций
Многозубые монолитные фрезы типа CHATTERFREE были созданы как раз для высокоскоростной обработки. Особенности их конструкции, такие как меняющийся угол наклона зуба, переменный шаг зубьев и специально подобранный профиль сечения канавки, обеспечивают широкую область применения фрезы от чистовой ВСО до чернового резания по трохоидальной технике.
Линия CHATTERFREE состоит из нескольких семейств концевых фрез, отличающихся основным применением. Среди них, например, семизубые фрезы из ультра мелкозернистого твёрдого сплава для обработки закалённых сталей и выполнения чистовых операций, фрезы широкого применения с интересным принципом конструкции: число зубьев совпадает с величиной номинального диаметра в мм, а также 7- и 9-зубые фрезы, предназначенные в первую очередь для трохоидального фрезерования сложнопрофильных заготовок из титана. Семейство последних получило название "Ti-TURBO", которое подчёркивает "турбо" режим удаления материала, демонстрируемый такими инструментами.
В последнее время в конструкцию монолитных фрез для ВСО внесли ещё один элемент: стружкоразделяющие канавки (Рис. 1). Это может показаться странным, ведь формируемая стружка тонкая и не требует дополнительного разделения. Однако добавление канавок позволило увеличить виброустойчивость фрезы и таким образом улучшить результаты трохоидального фрезерования и резания с большим вылетом инструмента. В случае трохоидального фрезерования стружка тонкая, но широкая, и её разделение на более мелкие сегменты способствует как отводу стружки, так и уменьшению шероховатости поверхности обработки. Тем самым черновая ВСО становится более точной и эффективной.
Быстрорежущая керамика
Фрезерованию труднообрабатываемых жаропрочных сплавов инструментом из твёрдого сплава обычными методами свойственна низкая скорость резания, как правило, 20-40 м/мин. ВСО с небольшим углом охвата фрезы, когда ширина резания не превышает 10% диаметра инструмента, проводится со скоростью уже 70-80 м/мин. Невысокие значения скорости служат препятствием для роста производительности, и предприятия, занятые выпуском деталей из жаропрочных материалов, пытаются найти способы преодоления существующих барьеров.
Одним из возможных решений может стать применение режущей керамики. Компания ISCAR разработала монолитные керамические фрезы, которые позволяют резко поднять скорость резания по сравнению с твердосплавным инструментом - до 1000 м/мин! Фрезы выпускаются c 3 и 7 зубьями в диапазоне диаметров 6-20 мм (Рис. 2).
Использование монолитных концевых керамических фрез в черновых операциях приводит к радикальному уменьшению основного времени и позволяет быстро придать заготовке необходимую форму для последующих чистовых проходов.
Мастер для высоких скоростей
Профиль детали диктует выбор оптимальной конфигурации инструмента, необходимого для высокоскоростной обработки. В определённых обстоятельствах требуется РИ с большим вылетом, и монолитное исполнение в таком случае не выглядит самым рациональным. Заслуживающей внимания альтернативой может стать сборная конструкция со сменной режущей частью.
Именно на таком принципе построен MULTI-MASTER – семейство вращающегося инструмента со сменными головками. Многообразие предоставляемых корпусов, головок, переходников и удлинителей семейства позволяет быстро скомпоновать нужный РИ на основе изделий стандартного исполнения и таким образом резко снизить потребность в специальном инструменте. Кроме того, для смены изношенной головки нет необходимости в извлечении уже закреплённого в шпинделе станка корпуса инструмента с последующими замерами и корректировкой управляющей программы. MULTI-MASTER реализует принцип "минимальное время установки": замена головки не приводит к различию в вылете.
Жёсткая, сбалансированная и точная сборная конструкция делает MULTI-MASTER пригодным для ВСО. Типичным примером такого применения служит высокоскоростное фрезерование сложнопрофильных поверхностей заготовок из твёрдых материалов с использование сменной головки MM HBR грушевидной формы (Рис. 3). Головка характеризуется сферической кромкой в секторе 240°, режущей вершиной и жёстким допуском на диаметр (по h7).
Надёжное закрепление
Высокоскоростная обработка невозможна без надёжного, сбалансированного и точного вспомогательного инструмента. По этой причине широкое распространение в ВСО получили патроны с термозажимом для закрепления по "горячей" посадке, обеспечивающие необходимый уровень параметров точности и надёжности.
В последнее время линия SHRINKIN таких патронов компании ISCAR пополнилась семейством X-STREAM. Отличительная часть патрона нового семейства – каналы для смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) вдоль центрального посадочного отверстия для подвода СОЖ непосредственно на режущие кромки закрепляемого инструмента. В высокоскоростном фрезеровании уже упомянутых блисков, например, чётко направленная подача СОЖ значительно увеличила показатели обработки. Внедрение новых патронов в ВСО глубоких полостей и карманов позволило существенно улучшить отвод стружки и предотвратить её вторичное резание, что привело к заметному увеличению стойкости кромки.
СОЖ может стать инструментом преобразования обычного станка в высокоскоростной. Компактные шпиндельные головки SPINJET, приводимые в движение потоком СОЖ (Рис. 4), обеспечивают частоту вращения до 55000 об/мин, позволяя реализовать методы ВСО на тихоходных станках, так часто встречающихся в цехах и участках механической обработки машиностроительных заводов.
Совершенствование технологии требует новых методов обработки: более производительных, экономичных и экологически безопасных. ВСО уже подтвердила своё соответствие современным запросам. Прогресс в способах получения заготовок заостряет вопросы энергосберегающего чернового высокоскоростного резания – наблюдаемая тенденция, которой должны следовать и производители режущего инструмента.
