Високошвидкісна механообробка деталей ГТД
Основи ВСО, інструмент та режими обробки
Технологія високошвидкісний механічної обробки (ВСО) відноситься до числа найбільш прогресивних і швидко розвиваються. Вже сьогодні промисловість провідних країн світу досить широко використовує ВСО при швидкостях різання 500 ... 1500 м/хв і більше (табл. 1) при обробці:
прес-форм і штампів кінцевими фрезами для отримання виробів, широко застосовуються в автомобільній та аерокосмічній промисловості жароміцні сталі, алюмінієві сплави, конструкційні оргпластікі, армовані скловолокном та ін;
фольгованих друкованих плат (швидкісне свердління), для електронної промисловості;
виробів з високоміцних алюмінієвих сплавів в аерокосмічній та автомобільній промисловості та ін
Таблиця 1 Характеристики високошвидкісного різання
Наприклад, при фрезеруванні алюмінію використовуються наступні діапазони швидкостей, м/хв:
традиційний - менше 500
високопродуктивний - 500 ... 2500
високошвидкісної - 2500 ... 7500
супершвидкісної - більше 7500.
До недавнього часу широке застосування цієї технології стримували: різальний інструмент, обладнання і системи ЧПУ. Зараз ці проблеми в принципі вирішені. Тому тенденція до розширенню створення і використання технологій високошвидкісної обробки носить стійкий характер.
Високошвидкісна механічна обробка (HSM - High Speed ​​Machining) і високошвидкісне фрезерування (HSM - High Speed ​​Milling), зокрема, в останні роки суттєво змінили підхід до методів механообробки. Вирішальним фактором у оцінці процесу HSM-обробки є продуктивність верстатів, що визначає вартість виробництва і підвищення якісних характеристик процесу обробки.
Рис. 1. Криві Соломона. Залежність сил різання від швидкості різання
1. Високошвидкісна обробка
Теоретичним обгрунтуванням високошвидкісної обробки є так звані криві Соломона (Рис. 1), які показують зниження сил різання в деякому діапазоні швидкостей.
Ще в кінці 20-х років минулого століття Герман Соломон, вивчаючи процеси різання циркульними пилами, зробив висновок, що температура різання залежить від швидкості не монотонно, а має певний екстремальний характер. Цією залежністю він пояснив досягнуті їм у дослідах дуже високі швидкості різання (до 16500 м/хв).
У наступні роки вивченням цього питання займалися багато вчених, в їх дослідах на балістичних установках були зафіксовані набагато більш високі швидкості різання (Кузнецов, 1947 р., 50 000 м/хв; Кроненберг, 1958 р, 72000 м/хв; Арндт, 1972 р., 132 000 м/хв) і запропоновані фізичні та математичні моделі, які пояснюють цей ефект.
Стосовно до фрезерованию вперше ефект ВСО був реалізований в 1979 р. в Технічному університеті Дармштадта (Німеччина), де з використанням шпинделя на магнітних підшипниках була досягнута швидкість різання 4700 м/хв. Групою співробітників університету під керівництвом професора Г. Шульца була запропонована теорія процесів ВСО і вивчена можливість промислового впровадження цього ефекту [2]. Фізична природа високошвидкісного різання добре пояснюється і російськими вченими на основі фундаментальних закономірностей процесу стружкоутворення і зношування під впливом високих швидкостей.
Одним з важливих факторів при ВСО є не тільки зниження величини крутного моменту в зоні високих швидкостей, але й перерозподіл тепла в зоні різання. При невеликих перетинах зрізу в даному діапазоні швидкостей основна маса тепла концентрується в стружці, не встигаючи переходити в заготівлю. Тому вважається, що високошвидкісне фрезерування, особливо розвинене в технологіях ВСО, базується на скороченні кількості тепла, що виникає при обробці різанням, яке зазвичай і є причина зносу інструменту.
Дослідження, проведені під час ВСО з правильно підібраними параметрами, показали, що 75% виробленого тепла відводиться зі стружкою, 20% - через інструмент і 5% - через оброблювану деталь.
Перевага ВСО виходить також за рахунок обробки в надкрітіческіх діапазоні коливань: при високих частотах обертання, які використовуються при ВСО, значно перевищуються частоти власних коливань деталі, інструменту та компонентів верстата. Одночасно з цим, завдяки невеликим поперечним перетинах зрізу, сили різання невеликі, що сприятливо позначається на точності обробки. Крім того - висока якість отримуваної поверхні, відсутність дроблення при різанні, можливість обробки тонкостінних виробів.
2. Вимоги до устаткуванню для високошвидкісної обробки
Особливості ВСО висувають особливі вимоги до конструкції верстатів, які забезпечують цей вид обробки. Це стосується не тільки всіх елементів самого верстата, але і систем і пристроїв, що забезпечують його роботу, а також цілого ряду робіт по обслуговуванню верстата і підготовки його до роботи. У загальному випадку серед вимог до високошвидкісного обладнанню можна відзначити наступне.
Конструкція верстата в цілому повинна мати високу жорсткість і хороші виброгасящие і демпфіруючі характеристики, що зазвичай забезпечується великою масою базових частин. Особливі вимоги у високошвидкісного устаткування пред'являються до конструкції направляючих, які повинні забезпечити плавне безлюфтовое рух переміщаються частин верстата.
Конструкція верстата в процесі роботи повинна забезпечити всім його елементам термічну стабільність при мінімальних температурних деформаціях, оскільки теплове розширення частин і елементів верстата безпосередньо впливає на якість обробки. У сучасних високошвидкісних верстатах застосовується спеціальна система охолодження його основних елементів, в якій охолоджувальна рідина від спеціальної холодильної установки циркулює по спеціальних отворах в шпинделі, ходових гвинтах, в елементах корпусу і т.п.
Також для зменшення теплових деформацій у верстатів для виготовлення окремих деталей можна використовувати натуральний граніт і спеціальну мінеральну кераміку. Від матеріалу базових елементів, особливо станин, стійок, столів, залежить не тільки схильність до температурних деформацій, але і цілий ряд інших характеристик верстатів вібростійкість, міцність, електропровідність і ін, багато з яких і визначають головну характеристику - точність обладнання.
3. У фрезерних верстатів для ВСО висока частота обертання шпинделя зазвичай супроводжується і великими значеннями подачі. При виготовленні прес-форм і штампів верстат повинен мати частоту обертання шпинделя не менше 20 000 хв -1 і величину подачі як мінімум 3000 мм/хв (краще> 5000 мм/хв), відпрацьовуючи при цьому малі переміщення (Від 1 ... 2 до 20 мкм). Поряд з такими високими значеннями подачі необхідно, щоб була можливість швидкого прискорення і уповільнення подачі. Для цього рухомі частини верстата повинні мати малу масу й інерцію. Лінійні двигуни - Альтернативний варіант електродвигунам роторного типу - забезпечують велику робочу подачу, високу прискорення, високу точність, безступінчатий регулювання і багато іншого, що пояснює все збільшується їх використання в приводах подач верстатів для ВСО.
4. Високошвидкісний шпиндель - найбільш фундаментальний компонент верстата для ВСО. Система ЧПУ, інструмент і всі інші складові процесу служать єдиної завданню - використовувати високу частоту обертання шпинделя найбільш ефективно.
Високошвидкісний шпиндель - Це компроміс між силами і швидкістю різання. Але найбільш критичний фактор обмеження - підшипники, довговічність яких особливо важлива. У будь-якому високошвидкісному шпинделі підшипник - перший компонент, який виходить з ладу. В даний час знайшов своє застосування комбінований шпиндель, так званий В«дуплексВ», в корпусі якого розміщені два електродвигуни. Розміщення концентрично два вали (по одному на кожен двигун) можуть обертатися спільно або окремо. Обертання кожного з валів...
