2 - 2005

Высокоскоростная фрезерная обработка в производстве технологической оснастки

Владимир Вермель, Валерий Зиняев

В настоящей статье продолжается разговор об особенностях высокоскоростного фрезерования, начатый авторами в № 8'2004. В предыдущей статье мы рассмотрели обработку мягких материалов (алюминиевый сплав, модельный пластик, МДФ, фанера, древесина) на высокоскоростном фрезерном станке с ЧПУ, имеющем малую мощность, сравнимую с мощностью электробытового инструмента. Было показано, что применение таких станков совместно с развитой системой автоматизации и программирования обработки ГеММа-3D по преобладающему числу позиций более эффективно, чем использование технических средств быстрого прототипирования.

В современных условиях прогресс в изготовлении формообразующей технологической оснастки (пресс-формы, литейные формы, штампы) в значительной мере связан с ростом производительности механической обработки, обеспечивающей при повышении точности и чистоты также существенное снижение трудозатрат на ручную финишную слесарную обработку (включая пригонку и сборку). Основным конструкционным материалом изделий технологической оснастки является высоколегированная сталь, а преобладающий объем механической обработки представляет собой фрезерование на станках (обрабатывающих центрах) с ЧПУ.

В этой публикации мы рассмотрим некоторые методические проблемы фрезерования сталей с повышенными скоростями резания.

До последнего времени при фрезерной обработке сложных поверхностей в модельных и инструментальных российских производствах преимущественно использовались фрезы из быстрорежущей стали. Характерные для них скорости резания (~10-40 м/мин) для основных типоразмеров фрез обеспечиваются станками поколения середины 80-х годов, имеющих скорость вращения шпинделя (то есть обороты шпинделя) менее 2000-2500 об./мин и рабочие подачи до 500 мм/мин.

Фактором, обусловившим возможность повышения производительности фрезерования, стало существенное увеличение скорости резания сталей (на порядок и более) у современного фрезерного инструмента.

Чрезвычайно высокие характеристики современного поколения станков (обрабатывающих центров) с ЧПУ (обороты шпинделя, подачи рабочих и свободных перемещений, точности позиционирования инструмента) позволяют использовать наряду со скоростным резанием другие новые качества современного нового инструмента — обеспечение предельно малого съема материала и соответственно обработку фасонных поверхностей с чистотой, практически исключающей финишную ручную слесарную обработку.

Однако вследствие астрономических цен выбор станочного оборудования и режущего инструмента в условиях ограниченных финансовых ресурсов представляет собой серьезную технико-экономическую проблему. Важнейшим побудительным мотивом ее решения является, как правило, попадание в левый верхний сектор графика на рис. 1.

В производстве технологической оснастки, отличающемся предельно малой серийностью, заготовки, как правило, имеют простую форму, определяющую повышенный объем материала, подлежащего фрезерованию. В связи с этим при выборе состава станочного оборудования должны учитываться две принципиально разные операции: черновая обработка с основным съемом материала и чистовая обработка, обеспечивающая точность изделия и чистоту поверхности, что, в свою очередь, определяет затраты на последующую финишную ручную обработку. На рис. 2 представлен график оценки технических возможностей станков, показывающий зависимость потребной мощности привода шпинделя, а также зависимость располагаемой мощности станков, находящихся в распоряжении авторов, от оборотов при черновом, получистовом и чистовом фрезеровании. В их числе: станок ФП-27 производства ООО «САВМА» 1987 года, с подачами и оборотами, характерными для станков середины 80-х годов, и современные высокоскоростные станки DMU-125P и QUAZAR производства 2000-2003 годов с повышенными оборотами, подачами и точностями, оснащенные мотором-шпинделем с характерным снижением мощности на малых оборотах. Для станков с редуктором мощность близкая к максимальной сохраняется до ~300 об./мин (ограниченные провалы ~10 - 15% в кривой располагаемой мощности не изображены). На кривых потребных мощностей расставлены точки, соответствующие фрезам SANDVIK серий R200 (черновая обработка), R300 (получистовая), со сферической режущей частью для чистовой обработки.

Сопоставление потребных и располагаемых мощностей показывает, что для станков, оснащенных мотором-шпинделем, вследствие снижения мощности при уменьшении оборотов ограничиваются величины диаметров фрез и/или глубина и ширина фрезерования. Для станков с редуктором сохранение располагаемой мощности вплоть до малых оборотов позволяет выполнять производительную черновую обработку фрезами достаточно большого диаметра. Низкие обороты шпинделя станка ФП-27 существенно ограничивают эффективное использование на нем фрез малых диаметров (Ј40 мм) даже при черновой обработке. Станки, имеющие объединенный мотор-шпиндель, уступают станкам с редуктором в черновой обработке. При чистовой обработке преимущество имеют 5-координатные станки, позволяющие вести обработку периферией режущей части фрезы при обеспечении высокой чистоты обработанной поверхности. Таким образом, становится очевидной целесообразность эксплуатации ряда взаимодополняющих станков с различными характеристиками и габаритами рабочих зон.

При использовании современного высокоэффективного инструмента необходимо учитывать имеющиеся для него ограничения по глубине резания, которая, как правило, не превышает 2- 5 мм . Поэтому при распределении припусков по видам обработки, показанных на рис. 3, черновая выборка осуществляется по слоям, которые должны определяться в управляющих программах, формируемых в технологических системах программирования (САМ-система).

Они становятся необходимым третьим элементом комплекса «станок—инструмент—средство программирования обработки», также определяющим его эффективность и окончательную стоимость. Для комплекса станков возможно использование нескольких различных CAM-систем, рациональное сочетание которых может обеспечить максимальную величину критерия «эффективность/стоимость», зависящего как от стоимости, так и от удобства и эффективности применения программных средств.

На рис. 4 показаны результаты черновой обработки лицевой и тыльной сторон полуформы из комплекта горячего прессования лопасти рулевого винта вертолета из полимерного композиционного материала (ПКМ) по управляющим программам, полученным в отечественной системе ГеММа-3D. Продольный габарит формы превышает 2 м.

На фотографиях хорошо виден рельеф, остающийся после послойной обработки с фиксированной глубиной резания, который соответствует толщинам снимаемых слоев.

Если продолжительность черновой обработки определяется объемом фрезеруемого материала, то для чистовой обработки продолжительность и соответственно затраты по стоимости станочного времени определяются длиной траектории обработки и минутной подачей. В свою очередь, длина траектории прежде всего зависит от требуемой чистоты обработки — определяется высотой неровностей («гребешок») между строками траектории фрезы, а также диаметром фрезы, размерами и формой обрабатываемой поверхности.

Чистота фрезерования современным инструментом после закалки позволяет получить на обработанной поверхности величину микронеровностей R z =1,0-0,8 мкм. При этом финишная слесарная обработка сводится к полировке поверхности и может быть выполнена менее чем за одну рабочую смену. Увеличение величины неровностей приводит к резкому возрастанию времени ручной слесарной опиловки, распараллелить проведение которой или организовать многосменную работу весьма затруднительно.

На рис. 5 построена зависимость временных затрат на финишную обработку полуформы и выделена область, определяющая, на наш взгляд, рациональное сочетание станочной и ручной слесарной обработки.

Выбор типа обработки может определяться целым рядом факторов, среди которых общее время обработки (на станке возможна круглосуточная работа), наличие или дефицит подготовленных слесарей-лекальщиков, пакет заказов, требующих скорейшего освобождения станка, и т.д. В частности, увеличение времени станочной обработки может быть связано с обеспечением повышенной точности обработки поверхности, которая не может быть достигнута при ручной опиловке. Лицевая сторона формы после чистовой фрезерной обработки показана на рис. 6.

Характерные величины рабочих подач при чистовой обработке весьма велики. Они могут составлять ~3 - 4 м/мин и более. Для криволинейных поверхностей траектория движения фрезы в известных системах программирования для станков с ЧПУ формируется в виде кусочно-ломаной линии, аппроксимирующей с заданной точностью обрабатываемую поверхность.

При обработке в точках излома траектории движение станка нарушается (рис. 7). В частности, при выходе в точку излома (пунктирная кривая) возникает удар, интенсивность которого определяется соотношением жесткости станка и величиной подачи. С целью его исключения в системе ГеММа-3D возможно введение торможения (снижения подачи) в окрестности точки излома или специальных скруглений траектории. Длина участков торможения-разгона и кривизна скруглений для данных подач определяются располагаемыми тангенциальным и нормальным ускорениями станка.

В современные системы управления станков с ЧПУ закладывается возможность движения по траекториям, описываемым сплайнами. В связи с этим требованием к эффективной системе программирования высокоскоростной обработки становится формирование гладких траекторий обработки деталей — как 2D, так и 3D. В отечественной системе ГеММа-3D реализованы построение траектории обработки как сплайн-кривых и их представление в форматах, принятых в системах управления основных фирм-производителей.

Еще одним фактором, влияющим на эффективность обработки, является рациональная стратегия фрезерования, определяющая построение траектории движения инструмента. На ее выбор могут повлиять соотношение габаритных размеров обрабатываемой поверхности, ее кривизна, специальные требования к однонаправленному движению фрезы (попутное или встречное фрезерование) и т.д. В результате формируются требования, предъявляемые к используемой технологической системе программирования обработки, которая должна обладать необходимым набором стратегий движения инструмента.

При построении траекторий, ориентированных на скоростное фрезерование, существенно возрастает нагрузка на систему программирования, стоимость которой может быть весьма высока. Поэтому при проведении технико-экономического анализа необходимо наряду со станочным оборудованием и инструментом рассматривать и вопрос выбора программного средства или рационального сочетания ряда программных средств.

В завершение назовем еще несколько факторов, определяющих эффективность высокоскоростного фрезерования и непосредственно влияющих на стойкость применяемых фрез.

Переход к повышенным скоростям резания обусловливает значительное повышение температуры непосредственно в зоне резания и соответственно снижение усилий резания за счет пластических деформаций разогретого материала обрабатываемой детали. При обработке со скоростями, меньшими рекомендуемых производителем инструмента, условия резания будут нарушены и повышенные нагрузки на режущую часть инструмента приведут к потере его режущих свойств за счет поломки или выкрашивания режущей кромки, налипания (приваривания) материала детали. При соблюдении условий резания стойкость инструмента максимальна. Важнейшим условием установившегося резания является теплоотвод из зоны резания, который обеспечивается отлетающей стружкой в процессе съема инструментом материала заготовки (рис. 8: снимок сделан с использованием тепловизионной установки при исследовании тепловыделения в процессе обработки образца из стали 30ХГСА).

Превышение рекомендуемой скорости резания приводит к нагреву фрезы в целом и к потере ее механических свойств, вплоть до поломки вследствие дополнительных пластических деформаций.

За пределами нашего внимания остались другие преимущества современных обрабатывающих центров — возможность выполнения управляющих программ предельно большого объема с автоматической сменой инструмента и совмещение в одной программе обработки операций фрезерования, сверления, растачивания, нарезание резьбы и т.д. В сочетании с широким возможностями пространственной ориентации инструмента и поворота детали они создают перспективы для ускорения обработки, что также должно учитываться при выборе нового технологического оборудования.

Во всех случаях окончательная эффективность высокоскоростного фрезерования определяется целым рядом факторов — это станочное оборудование, высокоэффективный режущий инструмент, функциональное технологическое обеспечение формирования эффективных управляющих программ, квалификация производственно-технологического персонала и рациональная организация производственного процесса.

«САПР и графика» 2'2005