Высокоскоростная обработка на фрезерных и других станках в теории скоро отпразднует свой вековой юбилей. Первые исследования в этой области проводились еще в 30-х годах XX века инженером Карлом Соломоном на немецких оружейных заводах Круппа. В результате его изысканий была установлена и зафиксирована графически зависимость силы от скорости резания для различных материалов. Они легли в основу современной высокоскоростной обработки.

В графических вариантах этих зависимостей наблюдались интересные эффекты. В частности, при определенных скоростях вращения шпинделя станка при обработке материалов наблюдалось снижение усилия резания. Кроме того, наблюдалось интересное перераспределение температур в рабочей зоне. В определенном диапазоне высоких скоростей нагревалась только отходящая стружка, а инструмент и заготовка существенно не нагревались.

Подобное распределение теплоты положительным образом отразилось на качестве изделия, которое изготавливают на станке. В частности, ощутимо снижается число поверхностных прожогов, снижается износ режущей кромки инструмента, ощутимо уменьшается необходимость применения СОЖ. Кроме того, в таких режимах обработки наблюдается значительное снижение энергозатрат.

Практическое же применение стратегии высокоскоростной обработки заготовок со всеми вытекающими достоинствами было реализовано относительно недавно. Оно стало возможным только после внедрения на рынок станков со значительной скорость вращения шпинделя и большой скоростью рабочей подачи. И внедряя эту практику в производство, владелец такого гравировального оборудования повышает эффективность оборудования. А значит, и собственного бизнеса в целом.

 

Фрезерные станки высокоскоростной обработки: требования и специфика      

Чтобы фрезерное оборудование с ЧПУ подходило под категорию «станки высокоскоростной обработки», оно должно соответствовать ряду требований. В частности: 

  • Значительная скорость вращения шпинделя (не меньше 15 000 об/мин);
  • Большие линейные подачи (не менее 2 500 мм/мин);
  • Малый шаг;
  • Малая глубина врезания;
  • Минимально возможная толщина стружки.

Давайте рассмотрим каждый из этих факторов детальнее.

 

Требования к шпинделю

По ряду критериев шпиндели, которыми оснащены фрезерные станки с ЧПУ от ряда производителей, можно разделить на силовые, средние и скоростные. При этом даже при поверхностном сравнении их характеристик можно отметить четкую закономерность. Она заключается в обратной зависимости между частотой вращения шпинделя и мощностью вместе с крутящим моментом. С ростом частоты вращения шпинделя два последних показателя снижаются.

Так как шпиндель является наиболее нагревающимся при работе фрезера узлом, его работа на большой скорости вращения с переменной частотой включений вызывает температурные деформации. В конечном итоге, это негативно отражается на качестве обработки заготовок и может стать причиной выбраковки изделий. Именно по этой причине фрезерные граверы высокоскоростной обработки должны оснащаться высокоэффективными системами охлаждения (желательно СОЖ) и компенсации температурных деформаций. Кроме того, к ним предъявляются довольно высокие требования по жесткости и устойчивости к вибрациям.

 

Требования к оснастке и режущему инструменту

Фрезы и другой режущий инструмент способны ощутимо повлиять на возможность реализации стратегии высокоскоростной обработки (ВСО). Поэтому для таких режимов используют особый инструмент. Его рабочие части выполнены из твердых сплавов на основе карбида вольфрама и  отличаются особым износостойким покрытием. В этом качестве могут выступать карбид, нитрид или цианид титана. Нередко также для ВСО используются монолитные фрезы (то есть без напаек).

Для работы с заготовками из закаленных или легированных сталей применяются фрезы из эльбора (нитрида бора кубического). Он мало уступает алмазу в плане твердости и отлично переносит высокие температуры.

Важными требованиями к фрезам и оснастке фрезерного станка для ВСО являются также вопрос их балансировки и точность установки. Очень важно правильно закрепить патрон шпинделя. Недостаточное внимание в этом вопросе может стать причиной биения, которое на таких скоростях вращения отличается высоким уровнем опасности.

 

Требования к охлаждению зоны резания

Как уже упоминалось, режим ВСО характеризуется нагревом стружки, в которой сосредоточена большая часть тепла от процесса контакта инструмента с поверхностью заготовки. Таким образом, для недопущения перегрева фрезы в процессе необходимо наладить оперативное отведение стружки.

Это производится либо потоком СОЖ, либо потоком сжатого воздуха. Причем последний вариант оказывается более выгодным, так как режущая кромка фрезы при таком способе охлаждения затупляется медленнее. В случае же использования СОЖ могут возникать циклические температурные перепады на поверхности рабочего инструмента. Это может стать причиной микросколов его кромки и в конечном итоге сказаться на качестве готового изделия.

 

Фрезерные станки с ЧПУ

 

Специфика программирования процессов ВСО

Высокоскоростная обработка металла на станках с ЧПУ предъявляет и специфические требования к программированию этого процесса. Для воплощения этой стратегии обработки на практике необходимо обеспечивать:

  • Высокий показатель подачи и малое сечение среза.
  • Выдерживание плавных траекторий перемещения фрезы. Резкие смещения направления движения инструмента существенно нарушают оптимальные режимы высокоскоростной обработки. На крутых поворотах нужно уменьшать скорость перемещения инструмента для снижения динамических нагрузок. При этом на поверхности детали остаются следы врезания фрезы в ее поверхность.
  • Равномерная нагрузка на фрезу. На высоких скоростях вращения строчной обработки, когда фреза последовательно врезается и покидает тело заготовки, стоит избегать. Она должна войти один раз и выйти по завершению всего процесса обработки, сохраняя пятно контакта с металлом заготовки на постоянной основе. Это обеспечит высокую стойкость и больший срок службы инструмента. В этой связи управляющая программа фрезеровки должна быть составлена таким образом, чтобы обеспечить равномерный припуск перед чистовыми проходами.

Все вышеперечисленные условия накладывают серьезные требования на управляющую программу для ВСО. Ее текст становится ощутимо объемнее, чем текст для обычного процесса фрезерования металлических заготовок. А отсюда напрямую вытекают требования к CAM-системе и стойке ЧПУ-аппарата.

В частности, CAM-система должна давать возможность рассчитывать траекторию перемещения инструмента и автоматического осуществления врезки по дуге. Стойка ЧПУ должна иметь внушительный объем оперативной памяти и впечатляющие аппаратные возможности. Это необходимо, чтобы интеллектуальная начинка аппарата позволяла ему анализировать код на множество шагов вперед, чтобы притормаживать фрезу перед изменением траектории, а затем снова ее ускорять.

Хотя высокоскоростная обработка заготовок на станках с ЧПУ обеспечивает высокое качество продукции и отсутствие необходимости в финишной обработке, увлекаться этим методом не стоит. Как правило, она оправдана для изготовления наиболее ответственной высокоточной продукции. В остальных случаях, метод ВСО можно использоваться для обработки части заготовки в качестве чистового фрезерования.

Используемые современные CAM-системы также нередко оснащаются передовыми инструментами и программными средствами, позволяющими оптимизировать работу аппарата в режимах ВСО. В частности, они имеют инструменты дополнительной обработки и определения излишком материала, средства анализа перемещений в управляющей программе, которые позволяют уменьшить ее размеры и сложность.