Высокоскоростная обработка

M

МАШИНОСТРОЕНИЕ

È

СМЕЖН

ÛÅ ÎÒÐÀ

ÑËÈ

ОТРАСЛИ

Высокоскоростное фрезерование

â

современном производстве

(Продолжение. Начало в ## 3,4/2003)

Александр Степанов ("Инженерный консалтинг", Москва, www.e-consul.ru) mail@e-consul.ru

Сравнительные испытания режущего

Pro/NC-Check,

Pro/NC

-

GPOST

è

VERICUT), êî-

СМЕЖНЫЕ

инструмента

торый позволяет:

•

выбрать необходимый

инструмент;

Исходные данные

•

рассчитать время обработки и объем удаляемого

Используя HSM-обработку, например, в инстру-

материала в зависимости от параметров резания;

ментальной отрасли, можно перепланировать и уско-

•

оптимизировать траектории инструмента;

рить процесс производства за счет сокращения ста-

•

устранить ошибки и несанкционированные вреза-

È

дий фрезерования электродов (ECM) и электроэро-

ния инструмента в материал;

зионной обработки (EDM). HSM обеспечивает по-

•

выбрать оптимальную последовательность обработки;

МАШИНОСТРОЕНИЕ

лучение точности размеров порядка 0.02 мм, к тому

• проверить программу обработки и соответствие вы-

же после механообработки заранее закаленной заго-

бранного инструмента.

товки значительно увеличивается долговечность мат-

риц и пуансонов. Процесс выглядит так: закалка за-

готовки до окончательного значения твердости, затем

черновое, получистовое и финишное фрезерование с

использованием HSM во всех операциях механооб-

работки. Сокращение двух стадий процесса дает су-

щественную экономию времени по сравнению с тра-

диционным способом – приблизительно на 30÷50 %.

С целью лучшего понимания процесса HSM-

обработки закаленных инструментальных сталей

были выполнены экспериментальные работы, в со-

ответствии с планом которых было необходимо:

• провести сравнительные испытания режущего ин-

струмента фирм HANITA, FRAISA и SECO с реко-

мендованными режимами и параметрами резания;

• разработать рекомендации по выбору оптимальных

Рис. 5. Трехмерная

режимов и параметров резания для HSM-обработки;

модель и чертеж

• определить методы разработки УП для HSM-

детали "Эскиз-1"

обработки с целью оптимизации машинного вре-

мени, обеспечения высокой стойкости инструмен-

Для получения управляющих программ с по-

та и постоянства исполняемых размеров.

мощью Pro/E были построены компьютерные мо-

Для отработки технологии HSM был использован

дели. Заготовки для проведения исследований (с

специальный станок с системой управления FANUC и

указанием марки стали и твердости) предостави-

максимальной скоростью вращения шпинделя 42 000

ло предприятие ОАО “АПЗ” (г. Арзамас).

об/мин (минимальная скорость вращения шпинделя

– 5000 об/мин). Охлаждение зоны резания – масля-

Обработка детали “Эскиз-1”

ный туман в сочетании с воздушным обдувом.

Модель и чертеж детали “Эскиз-1” приведены

Модуль Pro/MFG системы Pro/ENGINEER

íà ðèñ. 5. Материал: сталь У8, твердость 56 HRc.

v. 2001, предназначенный для программирова-

Цель эксперимента

ния механообработки, позволяет реализовать

Целью обработки детали “Эскиз-1” было сопос-

принципы HSM-обработки. Моделирование об-

тавление работы двух фрез при черновом фрезерова-

работки детали осуществлялось в среде программ-

нии кармана 80Ч60 мм до глубины h=7 мм. Конструк-

ного комплекса Pro/E NC Machining Option (модули

ции фрез показаны на иллюстрациях (ðèñ. 6, 7).

Рис. 6. Сферическая фреза FRAISA HSC 5286

Рис. 7. Сферическая фреза HANITA 715006002

( 6.0) с покрытием TiС

( 6.0) с покрытием TiAlN

71

CAD/CAM/CAE Observer #1 (14) /2004

Режимы резания фрезой FRAISA

крытием TiAlN) согласно каталогу фирмы HANITA:

Режимы резания для HSM-обработки назнача-

• скорость резания (vc) – 400 м/мин, достигаемая

ются по каталогу, а затем уточняются при отладке

при скорости вращения шпинделя 21 231 об/мин

операции на станке. В каталоге фирмы FRAISA

(принимаем 21 200 об/мин), где под значением ско-

рекомендованы следующие режимы резания (для

рости резания в каталоге подразумевается значе-

закаленной стали твердостью 52÷56 HRc и сфери-

ние окружной скорости на радиусе 3.0 мм;

ческой двузубой фрезы FRAISA HSC 5286 диа-

• рабочая подача (fz) – 0.06 мм/зуб, достигаемая

метром 6.0 мм с покрытием TiС):

при подаче 5130 мм/мин. Принимаем 4200 мм/мин

• скорость резания (vc) – 150 м/мин, достигаемая при

(при врезании – 50%);

скорости вращения шпинделя 21 700 об/мин, где под

• глубина резания

– ap= 0.05×D,

èëè

0.30 ìì

значением скорости резания в каталоге подразумева-

(принимаем 0.2 мм);

ется значение окружной скорости на так называемом

• ширина резания

– ae= 0.05×D,

èëè

0.30 ìì

эффективном диаметре (в данном случае – 2.2 мм);

(принимаем 0.35 мм).

• рабочая подача (fz) – 0.08 мм/зуб, достигаемая при

Данные параметры были использованы при разработ-

подаче 3470 мм/мин (при врезании – 1500 мм/мин);

ке управляющей программы в Pro/E. Расчетное время

•

глубина резания (ap) – 0.2 ìì;

обработки: 104.21 мин. Фактическое время обработки (ма-

•

ширина резания (ae) – 0.35 ìì.

шинный цикл): 112.5 мин. Производительность (скорость

Данные параметры использованы при разра-

удаления материала) составила примерно 0.4 см3/ìèí.

ботке управляющей программы в Pro/E. Расчет-

Подготовка управляющей программы

ное время обработки – 126.36 мин. Фактическое

Методы программирования, примененные для

время обработки на станке (машинный цикл) со-

создания УП, удовлетворяют изложенным ранее

ставило 136.5 мин. Время обработки обычно пре-

принципам HSM.

вышает расчетное примерно на 10%, что обуслов-

Последовательность обработки была определена как

лено особенностями системы управления (в дан-

“фрезерование объема” (Volume Milling, согласно тер-

ном случае FANUC): функция предварительно-

минологии Pro/E) с видом обработки ROUGH_-

го просмотра (look-ahead) автоматически умень-

&_PROF, что предполагает черновую обработку па-

шает рабочую подачу при приближении к точке

раллельными слоями с дополнительным контрольным

изменения направления движения инструмента.

проходом по контуру. Для обеспечения плавного дви-

Производительность (скорость удаления мате-

жения инструмента при обработке были использованы

риала) составила примерно 0.3 см3/ìèí.

значения параметров, приведенные в òàáë.6. В резуль-

Режимы резания фрезой HANITA

тате была получена траектория, показанная на ðèñ.8.

Рекомендуемые режимы резания (для закаленной

Как видим, она представляет собой набор плавных кри-

стали твердостью 50÷60 HRc и сферической 4-зубой

вых, причем соединение концов соседних проходов про-

фрезы HANITA 715006002 диаметром 6.0 мм с по-

исходит по тангенциальным дугам (параметры

CORNER_FINISH_TYPE, CORNER_ROUND_RA-

DIUS). Подъем до плоскости безопасности (RETRACT)

и перебег также осуществляются плавно, с помощью

дуг сопряжения (параметры ARC_TRANSITION,

RETRACT_RADIUS). Врезание инструмента в ме-

талл важно производить постепенно – это обеспечи-

вается врезанием по спирали (SPIRAL_MAIN-

TAIN_CUT_TYPE) с заданным углом врезания

(RAMP_ANGLE) методом попутного фрезерования

(параметр CUT_TYPE).

Таблица 6. Значения параметров в Pro/E для

создания плавной траектории

SCAN_TYPE

SPIRAL_MAINTAIN_CUT_TYPE

CUT_TYPE

CLIMB

RETRACT_OPTION

SMART

RETRACT_TRANSITION

ARC_TRANSITION

CORNER_FINISH_TYPE

FILLET

CIRC_INTERPOLATION

ARC_ONLY

CORNER_ROUND_RADIUS

0.35

RAMP_ANGLE

1

CLEAR_DIST

0.2

Рис. 8. Плавная траектория для обработки

RETRACT_RADIUS

1

детали "Эскиз-1"

CUT_DIRECTION

STANDARD

72

CAD/CAM/CAE Observer #1 (14) /2004

обработка выполнялась той же фрезой, что и пер-

Машинное время многослойной обработки

вая. Производительность (1.36 см3/мин) более чем

практически не зависит от метода программиро-

в три раза превышает производительность черно-

вания траектории, поскольку большое количест-

вой обработки сферической фрезой и является удов-

во проходов выполняется с малой глубиной реза-

летворительной по соотношению “производитель-

ния. Производительность многослойной черновой

ность – стойкость фрезы”. Относительно произво-

обработки торцовыми фрезами с небольшим ра-

дительности можно также добавить, что она была

диусом скругления режущих кромок вдвое выше,

достигнута при щадящих режимах резания.

чем в случае применения сферических фрез, – но

Конструкция фрезы HANITA 494008003 рассчи-

вс¸ же недостаточна.

тана для выполнения черновой обработки: четыре

Метод черновой обработки торцовыми фреза-

режущие кромки с наличием торцового зуба; покры-

ми с небольшим радиусом скругления режущих

тие фрезы (TiAlN) обеспечивает эффект скольже-

кромок, по сравнению с обработкой сферически-

ния режущих кромок о заготовку. При визуальном

ми фрезами, является более предпочтительным

осмотре и при измерении геометрии фрезы HANITA

для обеспечения стойкости инструмента.

на установке Lindex определено, что в обоих случа-

Наиболее производительной является черно-

ях износ фрезы практически отсутствует, и наблю-

вая HSM-обработка с большой глубиной фрезе-

дается лишь осветление режущих кромок.

рования и небольшой шириной резания, выпол-

По результатам черновой обработки закален-

няемая торцовыми фрезами с небольшим радиу-

ных сталей торцовой фрезой с небольшим радиу-

сом скругления режущих кромок. Данный метод

сом скругления режущих кромок были сделаны

наиболее предпочтителен для обеспечения высо-

следующие выводы:

кой стойкости инструмента.

Черновая обработка с большой глубиной фрезе-

При обработке закаленных сталей стойкость

рования и небольшой шириной резания является

фрез зависит от их геометрии и покрытия. Выби-

наиболее производительной.

рая производителя режущего инструмента для

Время такой обработки зависит от метода про-

HSM-обработки, необходимо обратить внимание

граммирования траектории, так как количество про-

на те фирмы, которые инвестируют в инноваци-

ходов небольшое (во втором случае – два слоя фре-

онные направления, связанные с созданием инст-

зерования). Следовательно, время, затраченное на

рументов для высокопроизводительной обработ-

оптимизацию траектории при разработке УП, оку-

ки. Наиболее предпочтительными являются мно-

пается в дальнейшем за счет сокращения времени

гозубые торцовые фрезы с небольшим радиусом

машинного цикла.

скругления режущих кромок (оптимально –

Так как частота вращения шпинделя (скорость

0.5÷0.75 мм), покрытые TiAlN. При черновой об-

резания) является небольшой, в сравнении с чер-

работке закаленной стали (> 40 HRc) максималь-

новой обработкой сферическими фрезами, то дан-

ный диаметр торцовой фрезы ограничен мини-

ная обработка является скорее высокопроизводи-

мальным числом оборотов шпинделя HSM-стан-

тельной, чем высокоскоростной.

ка. Например, при работе на станке, имеющем

Метод черновой обработки закаленных сталей

минимальную скорость вращения шпинделя

торцовыми фрезами с небольшим радиусом скруг-

5000 об/мин (как в нашем случае), черновую об-

ления режущих кромок наиболее предпочтителен

работку рекомендуется производить фрезами не

для обеспечения стойкости режущего инструмента.

более 10.0 мм.

С экономической точки зрения такая обработка яв-

Высокая скорость резания и большая темпе-

ляется наиболее выгодной.

ратура в зоне резания способствуют уменьшению

Высокое качество фрез HANITA позволяет вы-

сил резания. Высокая производительность про-

полнять черновую обработку закаленных сталей.

цесса обусловлена большой рабочей подачей. Ма-

ленькое сечение стружки является фактором ог-

Выводы по результатам испытаний

раничения эффективности процесса. Из-за воз-

В результате выполнения экспериментальных

можности повторного резания инструментом

работ по черновой HSM-обработке закаленных

стружки (являющейся фактически абразивом)

инструментальных сталей были сделаны следую-

проблема своевременной эвакуации стружки из

щие выводы:

зоны резания имеет важнейшее значение. Это под-

Производительность черновой обработки за-

тверждается на практике, так как по характеру

каленных сталей сферическими фрезами невысо-

износа фрез видно, что он в большей мере вы-

ка, а время обработки очень большое. Малая про-

зван перерезанием стружки. Решение данной про-

изводительность не оправдывает большой износ

блемы – подача в зону резания обильной СОЖ, а

инструмента. Поэтому самую первую черновую об-

лучше – масляного тумана в сочетании с воздуш-

работку выполнять сферическими фрезами не ре-

ным обдувом под большим давлением.

комендуется.

(Продолжение следует.)

78

CAD/CAM/CAE Observer #1 (14) /2004

Александр Степанов ("Инженерный консалтинг", Москва, www.e-consul.ru)

mail@e-consul.ru

Проверка теории на практике

Инструмент

Режущий инструмент был определен заказчиком:

В техническом задании от ОАО

сферическая фреза SECO SM06-02003.0-B90A30-2 диа-

“Арзамасский приборостроительный

метром 2.0 мм с покрытием TiN, имеющая два зуба.

завод” была поставлена задача опти-

Заготовка

мизации обработки детали “Вставка”

Материал заготовки: сталь 45, твердость 35…40 HRc.

на основе проведенных исследований

Технологическое приспособление

режимов высокоскоростной механообработки (HSM).

В качестве приспособления был использован пре-

Цель работы – определение стратегии оконча-

цизионный трехкулачковый токарный патрон (ðèñ. 28).

тельной обработки формообразующей детали пресс-

формы на станке, предназначенном для HSM, и

получение оптимальной УП при условии обеспе-

чения высокой стойкости инструмента и постоян-

ства исполняемых размеров.

3D-моделирование детали “Вставка”

Для получения управляющей программы вна-

чале по чертежу была построена трехмерная CAD-

модель в системе Pro/ENGINEER (ðèñ. 27).

Рис. 28. Приспособление для обработки

Анализ данных и режущего инструмента

Согласно чертежу (ðèñ. 27), допуски на диаметр

2.54±0.02 и глубину 1.32+0.02 являются достаточ-

но жесткими. Очевидно, что обработка должна быть

выполнена двумя инструментами – черновой и чис-

товой фрезой одного диаметра. Малая глубина ре-

зания позволяет, с некоторыми ограничениями,

применить для обработки двузубые фрезы.

Фактический диаметр фрезы (2 мм) выполня-

ется с известным из каталога фирмы SECO допус-

êîì, òî åñòü 1.994-0.02 ìì.

Следовательно, номинальный диаметр фрезы,

Рис. 27. Чертеж

принятый для расчета (с учетом отжима фрезы при

обработке закаленной стали), должен быть равен

и трехмерная

1.98 мм. Идя на эту небольшую хитрость, мы рас-

модель детали

считываем, что исполняемый размер должен полу-

“Вставка”

читься примерно в середине поля допуска, а точ-

Исходные данные для механической обработки

нее – ближе к верхней границе поля допуска. Во-

Технологическое оборудование

обще говоря, значение отжима фрезы можно опре-

Для изготовления детали в техническом центре

делить только экспериментальным путем. Отметим,

ИКФ “Солвер” был использован станок Vibra-Free

что размеры CAD-модели должны быть заданы в

с системой управления FANUC, имеющей специ-

середине поля допуска.

альную функцию HPCC (High Precision Contour

Итак, при разработке управляющей программы

Control), которая позволяет системе ЧПУ отраба-

и назначении режимов резания в Pro/ENGINEER

тывать кадры УП очень быстро и точно за счет

мы назначили следующие параметры инструмен-

того, что для обработки сигналов обратной связи

тов для предварительной и окончательной обра-

используется дополнительный процессор.

ботки: диаметр = 1.98 мм, число зубьев = 2.

CAD/CAM/CAE Observer #2 (15) /2004

53