ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ФРЕЗЕРНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Специалисты в истории техники расходятся во мнении, когда именно появилась фрезерование, но уже со второй половины 19 века обработка поверхностей заготовок вращающимся инструментом – фрезой – прочно укоренилась в процессах изготовления деталей. Развитие инструментальных материалов, внедрение новых технологических решений, числовое программное управление (ЧПУ) и впечатляющие возможности современных станков сделали фрезерование основным методом механической обработки плоских и фасонных поверхностей заготовок различных размеров с разными параметрами точности и шероховатости. Прямым результатом научно-технического прогресса стала 5-координатная обработка, позволяющая эффективное фрезерование исключительно сложных форм.

Разумеется, знаковые изменения в технологии и станкостроении не могли не оказать влияния  на конструкцию собственно фрезы – того самого «замыкающего» звена, расположенного между заготовкой и шпинделем станка. Парадоксально, но как раз этот небольшой элемент часто становится наиболее уязвимым во всей технологической системе, и именно он может служить определенной преградой на пути дальнейшего роста производительности. Следовательно, вопросы совершенствования фрез, как важнейший резерв эффективного резания, приобретают исключительное значение. На их решение нацелены усилия конструкторов, технологов и исследователей. Каковы же основные направления данной работы?

 

Инструментальные материалы

Выполнение режущей части фрезы из поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора (КНБ), армированной керамики и других материалов, которые выглядели достаточно экзотическими еще не так давно, - сегодня вполне рядовое явление. Однако твердый сплав на основе карбида вольфрама (особенно с износостойким защитным покрытием) по-прежнему остается основным инструментальным материалом для изготовления как монолитных (цельных) фрез, так и сменных пластин (СМП) к сборным фрезам. Развитие порошковой металлургии привело к значительному снижению размеров зерна карбидов, и сегодня большинство пластин и монолитных фрез производится из сплавов субмикронной основы (размер зерна 0.3-0.8 мкм), позволяющих выполнить режущую кромку острой, но в то же время и очень прочной. Более того, уменьшение размеров зерна в сочетании с достижениями технологии дает возможность получать прессованием с последующим спеканием пластины сложной формы, характеризующиеся значительным перепадом высот вдоль кромки. Таким образом достигается оптимальная режущая геометрия, гарантирующая не только плавное и устойчивое фрезерование, но и повышение точности получаемого профиля.

Достижения нанотехнологии привели к возникновению нового класса износостойких покрытий, наносимых методами физического осаждения (PVD). Такие покрытия представляют собой комбинацию нанослоев толщиной до 50 нм и отличаются резким увеличением прочности покрытия по сравнению с обычными методами. Разработаны процессы улучшения уже покрытых поверхностей пластин, с помощью которых удается практически устранить неизбежные дефекты поверхностного слоя и тем самым повысить стойкость покрытия. Например, марки твердого сплава для фрезерных пластин ISCARIC808 и IC830 характеризуются нанослойными PVD TiAlN покрытиями с их последующим улучшением по оригинальной технологии SUMOTEC, созданной компанией.

Применение прогрессивных твердых сплавов гарантирует повышение периода стойкости пластин и монолитных фрез. Но бóльшую стойкость следует рассматривать как источник увеличения производительности: ведь с помощью ужесточения параметров режима резания с сохранением предыдущего уровня стойкости  достигается снижение основного времени и уменьшение себестоимости операции фрезерования.

 

Высокопроизводительное черновое фрезерование

Черновое фрезерование характеризуется значительной величиной снимаемого припуска, и сокращение временных затрат на данной стадии существенно повышает рентабельность обработки. Существует ряд методов производительного чернового фрезерования, реализация которых диктует особые требования к конструкции инструмента.

При фрезеровании с высокой подачей на зуб глубина резания невелика, а подача – значительна. Например, для обработки стальных заготовок фрезами с СМП подача исчисляется в миллиметрах на зуб и часто превышает глубину резания. Геометрия же кромки такова, что основная составляющая силы резания действует вдоль оси фрезы, то есть в направлении наибольшей жесткости станка. Главным достоинством метода является высокая интенсивность снятия материала при относительно небольших удельных энергозатратах. Для фрезерования с высокой подачей на зуб разработаны как фрезы с СМП, так и монолитные. Отличительной особенностью этих инструментов, как уже отмечалось, является форма режущей кромки. Обычно она представляет собой участок дуги окружности большого диаметра или его аппроксимацию одной-двумя хордами. Такая форма обеспечивает главный угол фрезы в плане 10-17°. Говоря о фрезах с СМП, следует отметить популярную серию ISCARHELIDOUPFEEDН600: передняя поверхность двухсторонней пластины представляет собой комбинацию выпуклой и вогнутой поверхностей для улучшения стружкообразования и отвода стружки из зоны резания. Боковая поверхность пластины образована чередующимися участками, наклоненными в противоположные стороны, – так обеспечивается важный экономический показатель – 6 индексируемых режущих кромок, по три с каждой стороны пластины.

Интересно заметить, что первоначально направленное на предварительную обработку сложных поверхностей (например, штампов и пресс-форм), фрезерование с высокой подачей на зуб сегодня широко распространилось в качестве метода чернового резания плоскостей, особенно заготовок большого размера.

 Правда, не каждый станок располагает высокоскоростным приводом движения стола, необходимым для обеспечения требуемого уровня скорости подачи. Для тихоходных станков с мощным приводом главного движения созданы фрезы с углом в плане порядка 30° для обработки с умеренной подачей.  Термин «умеренная подача» не должен вводить в заблуждение: рабочая подача на зуб меньше, чем в случае, рассмотренном ранее, но больше, чем в обычных ситуациях. Глубина резания данных инструментах увеличена, если сравнивать с фрезами, работающими с высокой подачей на зуб. Так достигается производительное черновое фрезерование, правда, с увеличенными энергозатратами.

Если же возникает необходимость в удалении существенного объема материала при значительной глубине резания (высокий уступ, широкий край контура, габаритные полосы и карманы и т.п.), первый выбор за длиннокромочными фрезами, зуб (лезвие) которых образовано набором пластин. Особенно эффективны фрезы с СМП, закрепляемыми тангенциально (ISCARHELITANGT490) – такая конструкция обеспечивает наибольшую прочность инструмента. Стремление снизить потребляемую мощность и повысить виброустойчивость длиннокромочных фрез привело к активному применению в них пластин со стружкоразделяющей режущей кромкой, снабжённой канавками специальной формы. А дальнейшее развитие принципа стружкоразделения принесло пластины уже с геометрией стружкодробления, буквально измельчающей стружку в небольшие сегменты! Прогресс порошковой металлургии позволяет получать пластины этого вида прямым спеканием и тем самым обеспечить высокопрочную фигурную зубчатую кромку, способную воспринимать большие нагрузки. Примером фрез с СМП с эффектом стружкодробления служат инструменты серии P290 (длиннокромочные) и MILLSHRED(с круглыми пластинами), получившие признание потребителя.

 

Черновое? Чистовое?

Развитие инструментальных материалов и внедрение новых техник обработки (высокоскоростное резание, например) привело к серьёзным изменениям в проектировании технологических процессов. Во многих случаях стало возможным не только заметно сократить абразивную чистовую и отделочную обработку материалов высокой твердости, но и заменить ее фрезерованием. В итоге удается значительно уменьшить число установов детали в процессе изготовлении и даже выполнить все операции при неизменном закреплении заготовки на столе станка – осуществить мечту любого технолога. Да и предел твердости материалов, предназначенных для резания, существенно повысился. Современные монолитные фрезы успешно применяются для обработки сталей, закаленных до HRC 63 и выше.

Большинство черновых операций по-прежнему выполняется фрезами со сменными пластинами. Конструкторы-инструментальщики заняты поисками решений, позволяющих еще на стадии чернового фрезерования обеспечить высокие показатели шероховатости поверхности, и таким путём снизить затраты на последующую чистовую обработку. Данным подходом руководствовались создатели фрез с СМП серии ISCARDOVEIQMILL с углом в плане 50°. Возможно, они оказались первыми, кому удалось сконструировать торцевую фрезу, несущую экономичные двухсторонние пластины, которая характеризуется положительным углом наклона режущей кромки – залог плавного устойчивого резания. В сочетании с особой геометрией пластины и жестким закреплением СМП в гнезде отмеченная особенность привела к получению буквально зеркальной поверхности на параметрах режима резания, свойственными черновой обработке.

 

Акцент на многофункциональность!

В конце 90-х годов прошлого века компания ISCAR выпустила на рынок новое семейство фрез с механически закрепляемыми пластинами CHAMMILL. «CHAM» (от chameleon – хамелеон, англ.) в названии подчеркивало главную особенность нового инструмента: в гнезде фрезы допускалось закрепление односторонних СМП различного вида: четырёхгранных для получения угла фрезы в плане как 90°, так и 45°, круглых и восьмигранных. Потребитель, используя один и тот же корпус и размещая в нём соответствующие пластины, "настраивал" фрезу для обработки прямоугольного уступа, плоской поверхности или трёхмерного контура. Так реализовывался принцип многофункциональности фрез со сменными пластинами, который сегодня наблюдается в ряде линий различных производителей режущего инструмента.

Операционная гибкость многофункциональных фрез с СМП открывает ряд привлекательных перспектив перед потребителем, в первую очередь малым и средним: значительно повышается степень использования корпуса фрезы и сокращается номенклатура необходимого инструмента, более эффективным становится применение сменных пластин. Неудивительно, что принцип многофункциональности нашёл своё отражение и в других разработках компании ISCAR. Например, фрезы SOF45 серии HELIDO 800 допускают установку следующих основных двухсторонних пластин: как  четырёхгранных с 8 режущими кромками, так и восьмигранных с 16 кромками. Образуемая фреза с углом в плане 45° демонстрирует впечатляющие рабочие показатели при торцевом фрезеровании. Кроме того, сконструированы односторонние круглые и восьмигранные пластины, закрепление которых приводит к получению копировальной фрезы и фрезы, работающей по методу высокой подачи на зуб, соответственно.

 

Снижение вспомогательного времени

Система сборного инструмента со сменными режущими головками из твердого сплава ISCARMulti-Master, появившаяся в 2001 г., направлена на решение ряда задач. Основной принцип системы, согласно которому одна и та же головка предназначена для установки в корпусах-хвостовиках различного типа и наоборот, когда хвостовик пригоден для закрепления в нем головок разной режущей геометрии, позволил резкое повышение многофункциональности. Кроме того, ограниченные количества головок и хвостовиков в комбинации друг с другом порождают многочисленные варианты возможных конструкций инструмента и позволяют не только значительно сократить складскую номенклатуру, но и заметно снизить, если не устранить вообще, потребность в специализированных фрезах, сверлах и зенковках. А учитывая, что в случае износа замене подлежит только режущая головка, достигается заметная экономия дорогостоящего твердого сплава по сравнению с монолитным инструментом аналогичного размера.

Система характеризуется жестким допуском размера вылета головки по отношению к базовому торцу хвостовика. Данная особенность обеспечивает замену изношенной головки непосредственно на станке, избегая временных потерь на измерение и настройку. А главное – станок практически не останавливается! Сегодня, когда стоимость металлорежущего оборудования чрезвычайно высока, очень важно обеспечить его бесперебойную работу буквально все 24 часа в сутки. И уменьшение вспомогательного времени, связанного с заменой инструмента, выступает в роли немаловажного фактора снижения себестоимости продукции. Так конструктивный принцип сборного инструмента, гарантирующий постоянство размера, приводит к уменьшению цикла производства, сокращению затрат и рачительному использованию станочного парка.

 

 

Рассматривая направления совершенствования конструкций сборных и монолитных фрез, необходимо подчеркнуть, что наиболее перспективными являются решения, которые приводят к повышению производительности операций фрезерования и уменьшению расходов на выпуск продукции в целом. Именно под таким углом зрения требовательный заказчик анализирует новейшие разработки инструментальной промышленности.

 

Автор: Андрей Петрилин 

29.06.2015
Назад