Хорошо известно, что основная тенденция в обрабатывающих центрах с ЧПУ, используемых в цехах за последнее десятилетие, была более быстрой, умной и с более легкими, менее энергоемкими шпинделями. И растущие затраты на электроэнергию ускоряют этот процесс. Эта тенденция полностью противоречит использованию мощных станков, которые могут достигать глубоких разрезов за один проход. Высокоскоростная обработка (HSM) также обязательно означает маломощную обработку (LPH), которая требует различных режущие инструменты и иное понимание инструментов обработки.
В ответ на тенденцию к высокоскоростной/низкоэнергетической обработке многие ведущие поставщики инструментов разрабатывают специальные линейки инструментов для высокоскоростной обработки. Или добавляют маркировку номинальной скорости шпинделя к своим инструментам. Некоторые поставщики инструментов даже более продвинуты. Причина этого в том, что хотя текущая ситуация высокоскоростной обработки или номинальной скорости шпинделя хороша и необходима для безопасности высокоскоростных шпинделей, она не была полностью разработана. Высокоскоростная обработка или номинальная скорость сама по себе означает только то, что сверло или инструмент хорошо сбалансированы, когда они фактически работают со скоростью 12 000 об/мин или 40 000 об/мин, а вставка прочно установлена в инструменте. Однако это не указывает на эффективность обработки инструмента, которая является ключевым фактором экономии энергии и защиты конструкции легких станков.
Конечно, необходимо подчеркнуть высокоскоростную обработку или номинальную скорость, но видение должно также смотреть дальше. Вы обнаружите, что существуют огромные различия в эффективности обработки и энергоэффективности среди различных фрез и сверл, используемых в настоящее время для высокоскоростной обработки. Эти различия особенно важны для черновой обработки, однопроходного фрезерования и обработки отверстий большого диаметра.
Особенности и ограничения высокоскоростных обрабатывающих центров с ЧПУ
Давайте сначала разберем типичный высокоскоростной обрабатывающий центр с ЧПУ, чтобы увидеть, чем он отличается от традиционных станков. Конечно, он быстрый, с номинальной скоростью вращения шпинделя до 40 000 об/мин и может достигать чрезвычайно высоких скоростей подачи. Он также очень интеллектуален, и его система управления обычно может выполнять интерполяционную обработку, оптимизацию траектории инструмента и обработку связей по 3-6 осям.
Однако у него есть и недостатки. Во-первых, номинальная мощность двигателя шпинделя может быть всего 20 лошадиных сил (25 кВт) или меньше. Во-вторых, конструкция станка очень легкая, поэтому она более подвержена прогибу и вибрации (это часто упускается из виду). Фактически, обычно именно жесткость конструкции, а не мощность шпинделя ограничивает улучшение скорости съема материала. Не только двигатель шпинделя, но и станок в целом рассчитан на легкую, быструю многопроходную резку (а не на глубокую резку с несколькими проходами).
Новое мышление о проектировании инструмента для высокоскоростной обработки
С точки зрения режущих инструментов, ключ к эффективной и недорогой обработке — это мгновенный нагрев зоны резания для размягчения разрезаемого металла и передачи тепла стружке, чтобы тепло покидало зону резания вместе со стружкой. Очевидно, что чем мягче металл, тем меньше мощности требуется для удаления металла. Это совершенно другой способ мышления по сравнению с прошлым, когда для снижения температуры обработки использовались все возможные методы, что требует от нас иного подхода на этапе проектирования инструмента, а от пользователя — на этапе выбора инструмента.
Критические характеристики подложек, покрытий и геометрии инструментов
Тепло резки все еще может быть врагом пластин, но его можно превратить в положительный фактор в точке резки на заготовке и в стружке. Современные высокоскоростные фрезы разработаны для лучшей производительности, и в сочетании с высокоскоростными шпинделями (и их высокими скоростями резания поверхности) они могут вызывать пластическое размягчение металла в точке резки. Если такой инструмент удастся найти, он может использовать тепло, выделяемое деформацией стружки, для размягчения разрезаемого металла. Приведение его в состояние, в котором его легче резать, может обеспечить более быструю и энергоэффективную резку, продлевая срок службы инструмента и станка.
Пластины, разработанные для маломощной обработки, должны обладать двумя другими важными характеристиками: во-первых, основа и покрытие должны выдерживать высокие температуры и удары. Во-вторых, геометрия режущей кромки должна быть спроектирована так, чтобы полностью обеспечить свободное резание (высокоскоростное, безопорное резание). Основа и покрытие должны выдерживать высокотемпературную среду, связанную с пластическими изменениями материала в зоне резания. Они также должны выдерживать частые удары при многократном ударе по заготовке на высоких скоростях поверхности, и эти ударные силы увеличиваются пропорционально увеличению скорости шпинделя.
Что касается геометрии передней поверхности маломощных фрезерных инструментов, пластины должны иметь как минимум двойной положительный передний угол, который является положительным как в радиальном, так и в осевом направлении. Это обеспечивает плавное врезание в обоих направлениях, что создает меньшую силу резания и потребляет меньше энергии, чем эффект соскабливания, создаваемый более тупым инструментом с передним углом 0°. Однако не все пластины имеют двойной положительный передний угол, поэтому при выборе нужно быть внимательным.
Преимущества и рекомендации по выбору инструментов со спиральной режущей кромкой
Также обратите внимание на концевые фрезы (их немного) со спиральными режущими кромками, которые значительно снижают требования к мощности и ударные силы, и чьи изогнутые режущие кромки облегчают лезвию врезание в заготовку. На микроскопическом уровне это больше похоже на обработку листового металла с помощью наклонного лезвия, срезающего часть материала за раз, а не на пробивку всего листа металла за один проход. Использование угла наклона спирали от 20° до 45° для фрезы также может уменьшить воздействие инструмента при врезании и подавить образование заусенцев при вырезании.
Сравнение фрез с круглым концом и фрез со сферическим концом
При обработке пресс-форм фрезерование сферическими концевыми фрезами приводит к потере большого количества энергии, поскольку только небольшая часть режущей поверхности (область вокруг средней линии) участвует в резке с оптимальной скоростью и эффективностью поверхности. Лучшим выбором является использование круглого конца концевая фреза с более ровными зубами.
Радиус шага инструмента и соответствующая скорость резания поверхности достаточно постоянны по всей поверхности резания. На обоих концах поверхности резания скорость поверхности не приближается к нулю, поскольку она должна быть близка к носу шаровой фрезы. Во-вторых, при прямолинейной резке большой радиус соскабливания может использоваться для использования эффекта утончения стружки для достижения более быстрого удаления материала. Большой радиус наконечника в сочетании с обратным конусом облегчает очистку углов и минимизирует силы резания. Все режущие поверхности используют большие положительные передние углы для снижения сил резания и энергопотребления.
Высокоскоростная сухая резка и оптимизация параметров инструмента
После выбора правильной концевой фрезы важно использовать ее в полной мере. Правило для резки большинства сталей: быстрая резка, горячая резка, сухая резка. Увеличение скорости вращения шпинделя и скорости подачи может привести к пластификации материала, а также повысить производительность. Используйте параметры резания (подачу и скорость резания), рекомендованные производителем инструмента, только в качестве отправной точки и улучшайте их. Самое главное — не использовать охлаждающую жидкость. Помимо защиты концевой фрезы от теплового удара, фрезерный инструмент также должен генерировать тепло, необходимое для размягчения материала заготовки. Смазочно-охлаждающая жидкость может не потребоваться во время обработки для промывки стружки, а высокоскоростная обработка инструментами с положительным передним углом может хорошо удалять стружку. Добавление струи с функцией осушения поможет.
Ниже приведены некоторые рекомендации, некоторые из которых можно применить к операциям чернового фрезерования в целом, но все они важны для фрезерования с низкой мощностью.
- По возможности используйте попутное фрезерование, которое позволяет режущей кромке более плавно врезаться в заготовку, защищает более легкую конструкцию станка и продлевает срок службы инструмента.
- Изучение цвета стружки может дать подсказки об эффективности резки. При фрезеровании стали не беспокойтесь о темно-синих стружках, так как они указывают на хорошее фрезерование и размягчение материала, а также на то, что тепло от реза отводится стружкой правильным образом. При фрезеровании нержавеющей стали светло-соломенно-желтые стружки также являются признаком хорошего фрезерования.
- Узкие уступы более энергоэффективны, чем широкие уступы, а ширина контакта каждого реза не должна превышать 75% инструмента. По той же причине не используйте более двух пластин в резе одновременно, в противном случае это только создаст большее трение и потратит больше энергии, что не стоит усилий. Если во время обработки возникает вибрация, вы можете изменить параметры геометрии инструмента (такие как передний угол, установочный угол или угол подъема), увеличить нагрузку на стружку и/или уменьшить (не увеличивать) передний угол пластины.
Маломощная альтернатива сверлению отверстий: спиральное фрезерование
Изготовление отверстий часто считается самым энергоемким процессом на единицу удаляемого материала. Даже с помощью современных спиральных сверл только небольшая часть режущей поверхности обрабатывается с идеальной скоростью поверхности. Даже при наилучших условиях обработки трение между стружкой и стружечными карманами потребляет энергию резания. Кроме того, насос, который подает смазочно-охлаждающую жидкость на режущую поверхность, потребляет энергию. Чем больше и глубже обрабатываемое отверстие, тем больше потребление энергии.
Для больших отверстий диаметром более 25,4 мм лучшей альтернативой является спиральное фрезерование. Конечно, это требует управления интерполяцией на станке. Этот сухой, энергосберегающий метод резки дает хороший эффект вместо мокрых, энергозатратных традиционных процессов обработки. Отверстия большого диаметра, изготовленные однозубыми или многозубыми концевыми фрезами, требуют меньшей мощности станка и жесткости системы, чем любое сверло.
Пользователи технологии спирального фрезерования сообщили о сокращении времени цикла для отверстий под штифты на 3/4 и потребляемой мощности фрезерования всего 40%. Большинство современных станков с ЧПУ не смогли бы обеспечить мощность, необходимую для изготовления таких больших отверстий с помощью плоских сверл. По этой причине многим изготовителям форм пришлось переместить инструмент на координатно-расточной станок или мощный сверлильный станок только для обработки отверстий под штифты. С помощью спирального фрезерования они могут обрабатывать все отверстия под штифты за один зажим на маломощном фрезерном станке, используемом для обработки полостей. Хотите верьте, хотите нет, но спиральное фрезерование позволяет обрабатывать большие отверстия непосредственно на заготовках без предварительного сверления, не тратя много времени и энергии на растущее количество операций по сверлению больших отверстий.
При использовании спирального фрезерования для обработки отверстий различной глубины или глухих отверстий следует обращать внимание на удаление стружки. Геометрия фрезы может создавать мелкую стружку, но удаление стружки не обязательно должно осуществляться самим инструментом. При вертикальном фрезеровании и некоторых операциях горизонтального фрезерования может потребоваться продувка стружки воздухом.
Применение сменных корончатых сверл при обработке больших отверстий
Сменные корончатые сверла также могут использоваться для обработки больших отверстий и требуют меньше мощности, чем канавочные сверла. Благодаря своей уникальной геометрии коронки очень эффективны при резке, а диаметр стержня сверла меньше диаметра коронки, что облегчает удаление стружки и снижает трение. Кроме того, прочный легированный стальной стержень сверла может выдерживать вибрацию и деформацию инструмента, распространенные на легких станках, в то время как цельные твердосплавные сверла легко повреждаются вибрацией и деформацией.
Сменные корончатые сверла в основном используются в крупносерийном производстве, чтобы избежать переналадки станков и больших запасов различных цельных твердосплавных сверл. Благодаря более эффективной геометрии режущей кромки и более прочному стержню сверла они повышают добавленную стоимость маломощных операций сверления.
Чтобы повысить эффективность высокоскоростной/низкомощной обработки, при выборе фрезерных и сверлильных инструментов обращайте внимание не только на высокоскоростную обработку (скорость вращения шпинделя), но и на то, чтобы инструменты подходили для фактической обработки. Помимо безопасности высокоскоростной обработки, есть и другие преимущества. При фрезеровании выбирайте геометрию инструмента с «полностью свободным резанием» (фрезерный резец с двойным положительным передним углом и спиральной режущей кромкой) и используйте инструменты с хорошей термической твердостью. При сверлении рассмотрите спиральное фрезерование для обработки больших отверстий. Для общего сверления попробуйте сменное корончатое сверло со стержнем из высокопрочной легированной стали, чтобы избежать поломки цельных твердосплавных сверл в нестабильных условиях установки. Сменные корончатые сверла могут увеличить скорость съема металла и защитить легкие станки и инструменты, одновременно экономя мощность обработки.