Под высокоскоростной обработкой (общепринятая аббревиатура — ВСО) понимается фрезерование на скоростях подачи свыше 2000-3000 мм/мин. Частота вращения шпинделя при этом должна составлять как минимум 15000 об/мин.
Теоретическое обоснование
Сама идея ВСО возникла не случайно. Дело в том, что согласно «кривым Соломона» (графическое отображение зависимости силы от скорости резания) по мере роста скорости наблюдается область, где силы резания уменьшаются. Этот диапазон и принято считать областью ВСО. Однако самое главное то, что в этой области происходит перераспределение теплового потока, который (при небольшом сечении среза) целиком отводится в стружку, а не через поверхность заготовки. Это положительно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности — в частности для закалённых стальных заготовок не происходит отпуска поверхностного слоя и снижения прочности материала.
Исходя из этого, основными требованиями к организации ВСО являются:
- тонкое сечение реза;
- значительная частота вращения шпинделя;
- высокая линейная подача;
- малый шаг;
- незначительная глубина врезания (менее 10% от диаметра инструмента).
Однако последнее требование становиться всё менее актуальным с появлением стальных закалённых фрез нового типа, производители которых рекомендуют сохранять обычную глубину резания при соблюдении остальных требований к ВСО (в частности, малого шага).
Преимущества ВСО
Вопреки логическому выводу «быстрее режем — быстрее получим готовые изделия», основное преимущество ВСО проявляется не в интенсификации выпуска, а в качестве обработанной поверхности. И в возможности обрабатывать фрезами недоступные для традиционных режимов материалы (прежде всего — закалённые стали). Это открывает широкие перспективы для обработки штампов, пресс-форм и фактического пересмотра (в сторону упрощения) производственного процесса в целом.
Требования к оборудованию
Для успешного применения ВСО все компоненты оборудования (станок, инструмент, крепёж заготовки, вычислительный комплекс ЧПУ, управляющая программа) должны функционировать слаженно и без сбоев. Это же требование относится и к квалификации обслуживающего персонала. Если хотя бы один компонент окажется «слабым звеном» — это приведёт не только к порче заготовки, но и к выходу из строя дорогостоящего оборудования.
Рассмотрим требования к каждому компоненту системы в отдельности.
- Станок — должен поддерживать частоту вращения порядка 12-25 тыс. об/мин, а также иметь надёжную систему охлаждения шпинделя. Все узлы станка должны обладать высокой жёсткостью и способностью поддерживать стабильный тепловой режим.
- Режущий инструмент — должен обладать повышенной стойкостью и прочностью. Как правило, современные производители выпускают специальные модели фрез для ВСО и указывают для них рекомендуемые режимы резания.
- Вспомогательный инструмент должен строго укладываться в допуски, т. к. малейшие отклонения размеров на большой скорости вызывают биения, энергия вибраций которых соизмерима с силами резания! Поэтому для крепления фрез следует использовать специальные балансируемые патроны или цанги с термозажимом.
- Условия фрезерования — учитывая важность недопущения вибраций при ВСО, для каждого сочетания «заготовка-инструмент» идеальные условия обработки можно отыскать лишь экспериментальным путём. Наилучшая стойкость инструмента отмечена при замене водяного охлаждения на систему обдува фрезы воздушной струёй. Как указывалось выше, при ВСО основной поток тепла отводится в стружку. Следовательно, способность системы охлаждения удалять стружку из области резания будет оказывать существенное влияние на качество обработки поверхности и стойкость режущего инструмента к износу. Сказанное выше целиком касается механической части, т. е. станка и инструментов. Однако электронные компоненты и программная часть оказывают не меньшее влияние на качество изделий при ВСО.
- Система ЧПУ — должна обладать запасом по быстродействию, в т. ч. быть способной «смотреть вперёд» и заранее просчитывать (со скоростью порядка 100-200 кадров в сек.) движение, чтобы вовремя тормозить инструмент перед углом и затем вновь разгонять его — до следующего «поворота» траектории движения фрезы.
- Программа обработки — для обеспечения главного требования ВСО (малого сечения среза) необходимо оптимизировать траекторию движения фрезы для обеспечения её врезания в поверхность заготовки по трохоиде. Нужно отметить, что современные САМ-системы способны автоматически строить оптимальную траекторию — не стоит пренебрегать этим, даже при условии значительного усложнения и увеличения объёма программы. Траектория движения фрезы должна представлять собой плавную кривую (с минимально возможным количеством углов!) — для исключения резких изменений движения инструмента и неизбежного роста при этом динамических нагрузок на детали и узлы станка. Следует сокращать число повторных врезаний в заготовку (поддерживать постоянный контакт с поверхностью) — для обеспечения равномерной нагрузки на инструмент. Исходная модель заготовки должна изначально содержать в себе углы скруглений, хотя традиционно их «оставляют» на формирования самим радиусом фрезы. При ВСО такой подход недопустим, т. к. может привести к поломке инструмента именно в местах обработки малых внутренних радиусов заготовки.
Следует отметить, что внедрение прецизионно отлаженных алгоритмов движения фрезы (разработанных специально «под ВСО») в практику «обычной» низкоскоростной обработки существенно повышает качество выпускаемых изделий. Именно поэтому наблюдается постоянное внимание к совершенствованию режимов ВСО — как способу совершенствования процесса обработки и более полному раскрытию потенциала современного оборудования с ЧПУ.