Современные фрезерные станки с ЧПУ имеют высокую жёсткость станины, оснащаются мощными шпинделями и высокопроизводительными системами ЧПУ. Эти показатели идеально подходят для воплощения такого заманчивого технологического приёма, как высокоскоростная обработка (ВСО).
Принцип ВСО базируется на том, что при определённой скорости обработки (как правило — высокой) наблюдается резкое уменьшение сил резания. Этот диапазон (отображаемый так называемыми «кривыми Соломона») и называется областью ВСО. Преимуществом ведения ВСО является возможность обработки очень твёрдых материалов (например, закалённых сталей) с высокой производительностью и отменным качеством поверхности. Для тех же закалённых сталей такой подход является революционным — ведь при обычной обработке, по окончании закалки основные поверхности детали всё равно приходится шлифовать. А если фрезеровку или точение проводить уже после закалки? Получится значительное сокращение времени обработки!
Однако ускорение обработки для закалённых сталей связано всё-таки с сокращением технологической цепочки, а не столько с повышением производительности при ВСО. Основной ценностью ВСО как раз-таки является не сокращение времени, а повышение качества обработки и чистоты поверхности.
Особенности ВСО алюминия
Алюминий и дюралюминиевые сплавы очень широко используются в промышленности. Соответственно, велик спрос и на их обработку. Поскольку алюминий является мягким материалом, в процессе фрезерования образуется стружка, склонная к налипанию на острые кромки инструмента. Это явление усугубляется при попытках использовать ВСО. Ведь сам принцип ВСО заключается в уменьшении силы резания при определённой скорости обработки. Такая закономерность приводит к изменению теплопотока в зоне обработки. При ВСО тепло не передаётся заготовке, а практически всё концентрируется в стружке (и отводится вместе с ней). Это положительно сказывается на качестве обработки стали (исключается нежелательный отпуск закалённой поверхности заготовки), но при фрезеровании алюминия приводит к налипанию стружки на режущие кромки фрезы и забивании спиральных отводящих канавок.
Соответственно, для эффективного ведения ВСО алюминия необходимо правильно сбалансировать все компоненты станочной «макросистемы», такие как:
- характеристики фрезерного станка;
- производительность системы ЧПУ;
- тип режущего инструмента;
- режимы обработки;
- управляющую программу;
- систему крепления инструмента и заготовки;
- тип и производительность системы СОЖ.
Характеристики фрезерного станка (прежде всего жёсткость станины и мощность шпинделя) заданы конструктивно и не могут быть изменены без «апгрейда» самого оборудования. Поэтому здесь и далее мы предполагаем, что ВСО алюминия планируется на фрезерном станке с ЧПУ, изначально подходящим под обработку металлов и оснащённым шпинделем с частотой вращения не ниже 18 тыс. об/мин и мощностью более 3 кВт.
То же относится и к системе ЧПУ — либо она является высокопроизводительной (способной просчитывать сотни кадров в секунду), либо нет. В последнем случае ВСО будет просто невозможна (станок «не успеет» за программой). Поэтому далее также будем считать, что «наша» электроника имеет достаточную производительность для ВСО.
Режущий инструмент для ВСО алюминия
Для ВСО алюминия необходимо использовать твёрдосплавный инструмент. Например, двузубые фрезы (диаметром до 10 мм) со специальной заточкой «под мягкий металл». Применение многозубых фрез при ВСО обязательно — для повышения скорости резания при прочих равных условиях. Однако для обработки алюминия нельзя использовать фрезы «старше» трёхзаходной. Причина — всё та же особенность алюминия давать вязкую стружку при фрезеровке.
Хорошо известно, что чем больше режущих зубьев у фрезы, тем тоньше (при равных размерах самой фрезы) получаются спиральные стружкоотводящие канавки. Однако для алюминия — во избежание налипания вязкой стружки — нужны фрезы с как можно большим размером канавок. И в то же время ВСО требует увеличения числа зубьев ради повышения скорости резания. Компромиссом, многократно проверенным практикой, являются двух- или трёхзаходные фрезы.
Режимы обработки алюминия при ВСО
Конкретные режимы обработки можно определить только экспериментальным путём. При этом за точку отсчета следует принимать рекомендации производителя фрез. Типичным примером ВСО алюминиевого сплава В-95 при использовании двухзаходной фрезы Ø3,175 мм или Ø6 мм будет режим обработки с частотой вращения шпинделя 18 тыс. об/мин, подачей 120 мм/сек и съёмом материала по 1 мм за проход (с шагом в 30%).
При ВСО алюминия обязательно нужно использовать СОЖ. Наилучшим вариантом будет применение системы «масляный туман», которая лучше справляется с отводом тепла (по сравнению с простой подачей жидкости на фрезу или в зону обработки). Однако и система СОЖ типа «свободнопадающая струя» также позволит эффективно удалять тепло, смывать стружку из зоны обработки и снижать потери на трение.
Однако важным моментом применения СОЖ является постоянная и равномерная подача жидкости. Дело в том, что твёрдосплавные фрезы рассчитаны на работу при высокой температуре. Если жидкость в зону обработки подаётся неравномерно (в силу конструктивных особенностей СОЖ, или при неисправностях/засорении системы) происходит скачкообразное изменение поля температур на поверхности фрезы. В результате твёрдое, но хрупкое покрытие режущих кромок может потрескаться, что приведёт к нарушению геометрии фрезы и падению качества обработки. Поэтому ВСО алюминия следует вести не только при обязательном наличии системы СОЖ, но и её достаточной производительности и исправности.
Хорошим способом устранения выкрашивания «твёрдосплава» является замена водяного охлаждения на обдув воздухом. Естественно, такая система должна обеспечивать нужную интенсивность струи воздуха и её правильное «падение». Добиться этого при «кустарном» способе организации охлаждения довольно трудно — гораздо сложнее чем «вручную» правильно организовать жидкостное охлаждение. Также следует учесть, что воздушная система практически не помогает отводить стружку из зоны обработки. Таким образом, при ВСО алюминия следует либо применять «фирменную» систему воздушного охлаждения, либо использовать жидкостную СОЖ.
Вспомогательный инструмент
Поскольку в режиме ВСО наблюдается значительное уменьшение силы резания, на качество обработки начинают сильнее влиять другие факторы. Например, даже незначительное повышение биения цанги при ВСО может привести к тому, что центробежная сила сравняется по величине с силой резания! Естественно, такая помеха приведёт к катастрофической потере качества обработки. В то время как при обычном фрезеровании такое биение никак не отразилось бы на результате. Поэтому, при «полноценном» использовании ВСО следует позаботиться о наличии более дорогих цанг (с меньшими допусками на биения) и применять патроны с возможностью балансировки.