Технология высокоскоростной механической обработки газотурбинных двигателей (стр. 3 из 6)
Инструмент
Из-за большого объема материала, срезаемого при ВСО на больших подачах, желательно использовать двузубые фрезы (рис. 9), чтобы стружка могла свободно уместиться в канавке. Опыт показывает, что желательно применять специальные фрезы и режущие пластины с большими передними углами заточки.
Рис. 9. Для обработки демонстрационной детали использовались цельные твердосплавные фрезы SECO серии Tornado
Одна из главных проблем, возникающих при обработке алюминиевых сплавов, связана с высокой адгезией алюминия, из-за которой на режущей кромке образуется «нарост» и обрабатываемый материал «налипает» на фрезу. Это негативное явление резко снижает качество обработанной поверхности. Во избежание этого необходимо выполнять ряд простых и эффективных рекомендаций, что позволит получать очень высокое качество обработанной поверхности:
- применяйте обычный инструмент с полированными кромками;
- не используйте (!) режущие пластины с покрытием из нитрида титан-алюминия (TiAlN);
- выбирайте инструментальные сплавы с меньшим содержанием кобальта;
- используйте СОЖ для уменьшения наростообразования. СОЖ должна поступать на - ----- режущую кромку. Старайтесь применять охлаждение через инструмент;
- резьбу эффективнее нарезать вихревым фрезерованием.
При высоких скоростях вращения шпинделя, требующихся при ВСО, особое внимание следует уделять зажиму инструмента. По законам физики центробежная сила пропорциональна частоте вращения в квадрате, поэтому при ВСО малейший дисбаланс инструмента приводит к быстрому износу, а возникающие биения ухудшают качество обработанной поверхности. Опыт показывает, что, несмотря на относительно высокую стоимость (требуется термостанция), в случае частого использования ВСО целесообразно приобрести термозажим (рис. 10), обеспечивающий хорошую жесткость, малое биение и простоту в применении. При периодическом использовании ВСО можно обойтись гидрозажимом, но его асимметричная конструкция может вызвать дисбаланс. Применение для ВСО высококачественной цанги также полностью не исключается, но точность будет зависеть от оператора.
Рис. 10. Оправки с термозажимом
Станок
Если проанализировать форму алюминиевых корпусных деталей топливной и гидравлической аппаратуры, то выбор станка практически однозначен — пятиосевой фрезерный или многозадачный станок. Такой станок обеспечит доступ к разным сторонам детали с одной установки и позволит ориентировать плоские элементы детали по нормали к шпинделю, что даст возможность использовать торцевые или концевые фрезы для обработки плоскостей и отверстий (рис. 11).
Рис. 11. Пятиосевая обработка позволяет обработать всю деталь за один или два установа
Если для обработки использовать трехосевое оборудование, то деталь придется обрабатывать на станке в несколько технологических установов, что сопряжено с проблемами базирования и переустановки заготовки и приведет к потере производительности.
Требования к станку для ВСО весьма противоречивы: он должен быть достаточно точным, жестким и быстрым. Остановимся на этих требованиях подробней:
1. Желательно, чтобы архитектура (конструкция) станка позволяла полностью обработать деталь за один технологический установ, тогда удастся избежать потери точности и времени при повторном базировании. Из соображений жесткости портальная конструкция станка более предпочтительна, чем консольная. Считается также, что более жесткая конструкция лучше демпфирует вибрации. Желательно, чтобы станок обладал тяжелой станиной и легкими, но жесткими движущимися частями. Отметим, что для ВСО не рекомендуется (!) использовать модернизированное оборудование.
2. При выборе станка для ВСО всегда возникает дилемма — что для шпинделя важнее: крутящий момент или частота вращения? Ведь при одинаковой мощности, чем выше скорость вращения, тем ниже крутящий момент. Здесь следует иметь в виду, что шпиндели с высокими оборотами, как правило, имеют меньший диаметр подшипников, следовательно, допустимая нагрузка на них тоже ниже. Сравнительные данные для шпинделей фирмы НSK приведены в табл. 1.
| Тип шпинделя | НSK-100A | НSK-63A | НSK-40Е |
| Мощность (кВт) | 45 | 20 | 12 |
| Максимальная частота вращения (об./мин) | 15 000 | 24 000 | 40 000 |
| Максимальный крутящий момент (Н•м) /при частоте вращения (об./мин) | 400/1000 | 75/3000 | 48/3000 |
| Диаметр шпинделя (мм) | 100 | 70 | 45 |
| Основное назначение | Черновая и чистовая обработка | Легкая черновая и чистовая обработка | Обработка короткими фрезами до 12 мм |
| Примечание | Черновая обработка фрезами до 75 мм с большим вылетом | Черновая обработка фрезами до 30 мм со средним вылетом | Не предназначен для тяжелых работ. Хорошо сбалансирован |
3. С точки зрения проектировщика станка, точность позиционирования шпинделя и поворотного стола входит в явное противоречие с высокой скоростью их перемещения, что сопряжено с возникновением высоких динамических нагрузок при разгоне-торможении подвижных элементов. Чтобы станок сохранял точность под действием инерционных нагрузок, контроллер станка анализирует очередь управляющих команд и автоматически уменьшает скорость подачи перед изменением траектории инструмента. На практике это означает, что фактическая скорость подачи во время обработки может быть меньше заданной в CAM-системе. Это приводит к тому, что реальное станочное время оказывается выше, чем время обработки, рассчитанное CAM-системой. Некоторые продвинутые CAM-системы, в том числе и PowerMILL, позволяют при расчете перемещений инструмента оптимизировать расположение точек траектории в пределах заданного допуска с целью уменьшения эффекта «подтормаживания» контроллера станка. Подробнее мы рассмотрим этот вопрос в главе, посвященной выбору CAM-системы.
4. При выборе станка большое внимание следует уделить и динамическим характеристикам станка, в том числе допустимым линейным ускорениям. Для обычных станков эти ускорения достигают порядка 5 м/с2, а для задействованного на семинаре станка Hermle C30U с динамической опцией эта характеристика составляет 10 м/с2. С учетом малых величин перемещений при постоянной смене направления движения именно допустимое ускорение играет важнейшую роль при отработке УП.
5. На пятиосевых фрезерных станках можно фиксировать поворотный стол (две оси) и выполнять позиционную (так называемую 3+2) обработку. Это позволяет существенно повысить скорость и точность фрезерования: если при непрерывном пятиосевом фрезеровании точность составляет порядка 10-11 мкм, то при позиционном достижима точность в 4-5 мкм. Кроме того, длина управляющих программ для непрерывной пятиосевой обработки оказывается в среднем на 15% больше по сравнению с позиционной обработкой. Следствием этого является увеличение на 15-20% времени непрерывной пятиосевой обработки, по сравнению с позиционной.
6. При разработке управляющей программы для повышения точности и производительности предпочтение следует отдавать позиционной обработке. При черновой и получистовой обработке, когда точность не так важна, для экономии времени также более предпочтительна позиционная обработка.
7.С учетом того, что ВСО ставит задачу обеспечения высокого качества обрабатываемой поверхности, дополнительное внимание следует уделить подбору режимов резания с точки зрения нахождения зон, где отсутствуют вибрации. Например, на рис. 9 показаны зоны вибрации с различным числом волн N между зубьями фрезы в зависимости от глубины и скорости. Практически для каждой комбинации СПИД (станок—приспособление—инструмент—деталь) придется находить стабильные зоны, и в связи с отсутствием отработанных рекомендаций их придется экспериментальным путем искать непосредственно на станке. Наиболее склонны к вибрации коневые фрезы с нулевым радиусом скругления. Для уменьшения вибраций следует выбирать фрезы с закругленной режущей кромкой.
8. Интересный эффект увеличения стойкости инструмента при ВСО наблюдается при сравнении способов охлаждения . Как показывает график, наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува. Поскольку тепло концентрируется в стружке, ее надо быстро удалить из зоны резания. Низкая стойкость инструмента при охлаждении объясняется главным образом выкрашиванием, что обусловлено циклическими термическими нагрузками на режущую кромку инструмента. Постоянная тепловая нагрузка, даже на относительно высоких температурах, лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка.
Все вышеперечисленное относится к технической стороне ВСО.
Требования к CAM-системе
Во-первых, чтобы вести обработку со всех сторон с одного установа, CAM-система должна оперировать 3D-моделью остаточного припуска (рис. 12). Модель остаточного припуска дает возможность при любом повороте детали производить резание только там, где еще остался материал, — это позволит сэкономить много времени на холостых ходах. Важно не путать понятие модели остаточного припуска с функцией доработки (например, фрезами разного диаметра, которую имеют почти все САМ-системы), предназначенной для снятия остаточного материала при обработке без поворота (!) детали. Например, PowerMILL после каждого перехода может формировать 3D-модель оставшегося материала заготовки со всеми ступеньками, получившимися после предыдущей черновой обработки. Эта модель и используется для формирования траектории с другой стороны детали.
Рис. 12. CAM-система для ВСО должна поддерживать 3D-модель остаточного припуска