Высокоскоростная обработка резанием

В зависимости от режимов резания различают три разновидности обработки: обычная, высокоэффективная и высокоскоростная. Частоты вращения шпинделя составляют: при обычном резании — 30…2000 мин^-1 , высокоэффективном — 1000…12000 мин^-1, высокоскоростном — 3000…40000 мин-1. Скорости съема материала соответственно составляют: 1–20 см³/мин для обычной обработки , 1–150 см³/мин для высокоэффективной и 1–60 см³/мин для высокоскоростной обработки. Отличительной особенностью высокоскоростной обработки является малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью, и большая минутная подача.

Отработка режимов резания при высокоскоростной обработке привела к появлению разновидности этого вида обработки, которая называется высокоэффективной/высокопроизводительной. Высокоэффективная обработка отличается от высокоскоростной, уменьшенной в 2 раза частотой вращения шпинделя (скорости резания) и увеличенными в 3,5 раза, объемами снимаемого при резании материала.

В зависимости от скорости резания изменяется характер распределения температуры. При обычной обработке с возрастанием скорости резания повышается температура обрабатываемой заготовки, снимаемой стружки и инструмента. При резком увеличении скорости например в 5-10 раз, температура заготовки и инструмента изменяются незначительно, а стружки значительно возрастает . Например, при скорости 100 м/мин температура удаляемой стружки не превышает 450

°С, то при достижении скорости 1200 м/мин температура может приблизится к 1500 °С. Причина заключается в том, что скорость резания превышает скорость теплопроводности обрабатываемого материала. Основная доля тепла отводится стружкой, а в материал заготовки и инструмента тепло не успевает поступать.

Высокоскоростная обработка отличается следующими достоинствами:высокое качество обработанной поверхности (низкая шероховатость, уменьшенные остаточные напряжения);

• снижения сил резания, способствующие повышению точности обработки;
• снижение возможности возникновения вибраций;
• возможность обработки тонкостенных деталей;
• хорошее стружкоотделение;
• повышение стойкости инструмента.

1. Инструментальные материалы для высокоскоростной обработки

В процессе резания рабочие поверхности инструментов подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных давлений и температур, а взаимодействие с обрабатываемым материалом приводит к интенсификации процессов адгезии, диффузии, окисления, вызывающих быстрый износ режущего инструмента. Силовые нагрузки приводят к поломкам и выкрашиванию режущей части инструмента.

Для снижения изнашивания и предотвращения разрушения материал инструмента должен отличатся высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью, прочностью.

Основой инструментальной базы высокоскоростного резания являются твердые и сверхтвердые материалы.

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструкционной стали. Выпускаются также инструменты, рабочая часть которых целиком выполнена из твердого сплава (монолитные).

Применяемые твердые сплавы делятся:

• на вольфрамовые сплавы группы ВК (ВК3,ВК4,ВК6,ВК8 и др). В условном обозначении цифра показывает условное содержание кобальта;
• титановольфрамовые сплавы группы ТК (Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т30К4, Т60К6 и др.). В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание титана, после буквы К — кобальта, остальное карбиды вольфрама;
• титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и др.). В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К — кобальта, остальное – карбиды вольфрама.

В области разработки новых и совершенствования существующих марок твердых сплавов активно ведутся работы, связанные с созданием ультра- и особомелкозернистых сплавов, имеющих размер зерен в пределах 1,5 …3,5 мкм.

Разработка новых ультра- и особомелкозернистых твердых сплавов направлена на решение ряда современных технологических задач – экологически чистого высокоскоростного резания без

применения смазывающе-охлаждающих технологических сред, обработки труднообрабатываемых материалов, изготовления цельных твердосплавных особо сложных инструментов.

Прямым результатом уменьшения размеров зерен является улучшение физико-механических свойств твердого сплава, в первую очередь, твердости и износостойкости при обеспечении достаточно высокой вязкости. Сплавы с такой структурой обладают повышенной сопротивляемостью хрупкому разрушению, что исключительно важно при использовании операций прерывистого резания.

Снижение размеров зерен обеспечивает возможность получения более острой режущей кромки инструмента, с уменьшенным радиусом закругления. В результате снижаются силы резания и температура в зоне резания.

Для повышения работоспособности твердосплавных инструментов используют износостойкие покрытия, которые позволяют повысить скорости резания на 20…40 % при той же стойкости или увеличить в 1,8…5 стойкость инструментов при той же скорости, что и у инструментов без покрытия.

Наносимые на инструменты покрытия представляют собой нитриды, карбиды, карбонитриды, оксиды металлов-  Al₂O₃, TiN, TiC, TiCN, TiAlN и др.

Помимо однослойных покрытий TiN, TiC или TiCN широко используются многослойные покрытия. Типичным представителем таких покрытий является покрытие TiN-TiCN-Al₂O₃ . Наружный слой из Al₂O₃ служит термоизолирующим барьером и снижает окисление инструментального материала при повышенных температурах резания. Нитрид титана TiN обладает кристаллохимической совместимостью с твердосплавной подложкой, а карбонитрид титана TiCN повышает прочность адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем.

Применяются следующие разновидности многослойных покрытий, созданные путем комбинации различных одиночных слоев:

• многослойные со слоями различного функционального назначения с толщиной отдельных слоев 0,5…10 мкм;
• многослойные наноструктурированные с толщиной отдельных слоев от нескольких до 100 нм.

Сверхтвердые инструментальные материалы представляют собой синтетические или природные алмазы и композиты преимущественно на основе нитрида бора. Алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокие твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4-5 раз тверже твердых сплавов. Вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят тепло из зоны резания. Это гарантирует получение деталей без прижогов поверхности. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения. Кроме того, при повышенной температуре алмаз вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Материалы на основе нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийной обработки: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь — в 2,3 раза, твердый сплав – в 1,7.

Эти материалы изотропны, обладают близкой к алмазам микротвердостью, высокой теплопроводимостью, химической инертностью по отношению к железу.

Преимущество материалов на основе нитрида бора перед твердыми сплавами особенно заметно при сопоставлении при торцевом фрезеровании: скорость резания закаленной стали выше в 5 раз, чугунов — в 10-20 раз (в зависимости от твердости). Инструменты на основе нитрида бора позволяют в 3…6 раз повысить скорость резания по сравнению с твердосплавными.

2. Особенности станков для высокоскоростной обработки

Специфические изменения станков для высокоскоростной обработки касаются шпиндельных узлов, приводов подач, системы удаления стружки.

Высокоскоростной шпиндельный узел – это основной компонент станка для высокоскоростной обработки. От его конструктивного решения зависит не только долговременная стабильность в работе станка, но и качественные характеристики выполняемых работ. Высокоскоростной шпиндель – это компромисс между частотой вращения и мощностью привода.

Так, при частоте вращения 15000 мощность привода составляет 45 квт, а при частоте 40000 понижается до 12 квт. Это означает, что на высокоскоростном оборудовании с повышением максимальных частот вращения необходимо переходить от силовых режимов обработки к более щадящим скоростным режимам резания, т. е скоростные станки более целесообразно использовать для чистовой обработки.

В настоящее время находят применение комбинированные шпиндельные узлы, в корпусе которых размещены два привода. Такая конструкция позволяет работать шпиндельному узлу в черновом режиме резания с частотой до 10000 с обеспечением большого крутящего момента или в чистовом режиме с частотой до 30000 за счет второго высокоскоростного привода.

Приводы подач станков для высокоскоростной обработки обычно сопровождаются большими значениями подач. При изготовлении пресс-форм, штампов и других габаритных деталей станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя не менее 15000 , с величиной подачи как минимум 3000 мм/мин, отрабатывая при этом малые перемещения от 2 до 20 мкм. Наряду с такими высокими значениями подач необходимо, чтобы имелась возможность быстрого ускорения и замедления.

Система удаления стружки в станке для высокоскоростной обработки имеет особое значение. Образование стружки при высокоскоростной обработке осуществляется значительно интенсивнее, чем при обычной обработке. Поскольку тепло концентрируется преимущественно в стружке, то ее необходимо быстро удалять из зоны резания. В процессе удаления в зону резания подается смазывающе- охлаждающая жидкость, которая оказывает на инструмент циклическое термическое воздействие. Поэтому в ряде случаев вместо смазывающе- охлаждающей жидкости целесообразно использовать струю воздуха.