/
ISBN: 2-912540-00-3
Текст
Герберт Шульц
Prof. Dr.-Ing. Herbert Schulz institut Fur Spanende TechnoJogie
und Weikzeugmaschinen
Tfichniscne Hochschule Darmstadt
z
Высокоскоростное фрезерование металлических
и неметаллических материалов
I
Французский перевод: Prof. Serge Torbaty, Departement GMP,
Universite de Toulon et du Var
Французское издание: Societe Francaisc d'Editions Techniques
SOFETEC
66, rue Escudier -92100 BOULOGNE
Оригинальнее немецко* издание:
1089 Carl Hanser Verlag Munchen Wein
Первое французское издание:
ISBN 2-912540-00-3
Juin 1997
4.5. Легкие сплавы
4.5.1. Деформируемые алюминиевые сплавы
4.5.1.1. Введение
Деформируемые алюмини*вые сплавы используют при изготовлении
машин и приборов, но прежде всего в авиационной промышленности.
Они имеют очень высокую обрабатываемость резанием, а изготовляе-
мые из них детали могут иметь сложную геометрию, в частности,
высокие и очень тонкие ребра жесткости и высокое качество обра-
ботанной поверхности. Наиболее часто применяют высокопрочный
термоупрочняемыи сплав Al Zn Mg Cn 1, 5-F51 (оп=540 МПа) . Также ис-
следовали другие неупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы:
- F.liMg'3 - F18 (cD=215 МПа);
- Al'Mg 4,5 Мп - F27 (ов=305 МПа);
- AICu Mg 3 - F40 (<Те=505 МПа);
а также материал:
- - Al Си Mcj Pb - F37 (о,-470 МПа), используемый для штамповки.
Были приготовлены фрезы с многогранными неперетачиваемыми
пластинами с подложками диаметром более 40 мм, а также двухзубые
фрезы с прямым и винтовым зубом диаметром от 10 до 50 мм.
4.5’. 1.2. Режущие материалы
4.5.1 '. 2.1. Износ
Рис. 4.5.1 показывает, что инструмент из быстрорежущей стали
имеет низкие режущие свойства. Многогранные пластины, оснащенные
поликристаллическим алмазом или нит[. ид< л ’ бора, не дали хороших
результатов при фрезеровании в массе. В первые минуты износ был
очень небольшим, но режущие кромки разрушались менее, чем за 4
минуты в связи с прерывистым резанием и высокой возбуждающей
частотой при резании.
Трудности обработки маркой твердого сплава К01 (~ЬКЗМ) состоя-
ли в быстром выкрашивании режущих кромок в первые минуты фрезе-
рования . !
В первые минуты обработки твердые сплавы с покрытием noi :азали
хо[юшие результаты. Но в связи с особо жесткими условиями покры-
тие- удалялось из зоны контакта на длине обработки только пример-
но. 20 метров. В дальнейшем многогранная пластина с покрытием ве-
дет' себя, также, как и пластина без покрытия.
По этой причине в большинстве случаев от многогранных твердо-
сплавных пластин с простым покрытием можно отказаться. Инстру-
менты из быстрорежущей ста ни с покрытием показали такое же пове-
' дснис.
Temps de haisago I ( —•—
-- — r.
Рис. 4.5.1. Кривые износа дня различных режущих материалов
1- время фрезерования t( в t/ин; 2- износ по задней поверхности в
мм;3- обработанная инструментом длина при подаче на зуб If в м;
4- К20 с покрытием; 5- быстрорежущая сталь с покрытием.
' I ’
4.5^. 1.2.2. Скорость резания
Вообще говоря скорость резания можно увеличить двумя различ-
ными путями:
- увеличивая диаметр инструмента;
- увеличивая режим.
Износ возрастает с ростом скорости резания независимо от того,
каким путем она увеличена. Он значительно возрастает в первое
время, затем следует более или менее длительная фаза линейного
роста износа и. затем наблюдается прогрессивный рост износа в
конце периода стойкости (рис. 4.5.2).
415.1.2.3. Подача
Период стойкости инструмента всегда уменьшается с ростом по-
дачи после превышения предельного значения (рис. 4.5.3). При ма-
лых значениях подачи отмечается улучшение до значения подачи на
зуб’ fг~0,1 мм (рис. 4.5.4).
i
Tompjd* качвде I (
•fl min
к
Рис. 4.5.2. Кривые износа для различных скоростей
1- время фрезерования'tf в мин; 2- износ но задней поверхности в
мм; 3-; обработанная инструментом', длина при подаче на зуб 1Г в м;
4- K20(«BR6)
Looguvur ustoto par Гоиьй °
BorscJofavanc* par riem li onm
AI Си Mg P&
К 20
*t «4712ntfmrj
Fys. 4.5.3: Iauic de I our it p»jr difi^ivnic* wlcur\ рм ifcM
• SCrmi
-2
- ’2*
-25*
lt-0.033 mm
I,- 0.05 mm
lf •’0.067 mm
I,- О,Ов>т
i,- СДгпсп
1,-0.133 rrm
lj-0.16? mm
lf =0.2 nwn
i
< - •
Рис. 4.5 - 3Износ инструмента для различных подач на зуб
Iig. 45.4 : Durfc de те de hwlil cn Fixxuon de Fivmxc p® deni
к
AICuMflPt
К 20
yc K<7l2mWwi
*4 2 rrm
d -50mrn
X •?
<i 13*
у .1Г
X «25'
Рис. ,4.5.4. Стойкость в зависимости от подачи на зуб (VB- износ
по задней поверхности)
4.5.1.3. Мощность и силы резания
При различных скоростях и подачах относительная мощность ре-
зания для всех исследованных материалов остается постоянной для
глубины прохода свыше ар = 2..3 мм (рис. 4.5.5).
Для осевой глубины прохода менее ар = 0,5 мм она значительно
возрастает в связи с относительным ростом доли трения на вспомо-
гательной режущей кромке. Для этих малых глубин прохода отмеча-
ется, кроме того, небольшое уширение стружки. Это уширение не
носило регулярного характера.
Этот результат, согласно которому всякая количественная связь
между глубиной прохода и удельными параметрами резания исчезает
для глубин прохода свыше ар = 3 мм,» согласуется с результатами,
полученными при обычной обработке.
4.5.1.3.1. Скорость реза! 1ия
Для всех скоростей подач относительная мощность резания с
увеличением скорости резания почти линейно возрастает до скоро-
сти резания Vc порядка 3800 м/мин (рис. 4.5.6). Начиная с этой
скорости резания линейный рост ускоряется. По отношению к удель-
ному объему стружки оптимальная скорость резания для изученных
алюминиевых сплавов и различных скоростей подачи располагается
между 3800 и 47ОО)м/мин рис. 4.5.7).
-*-5-5 Puisuncv de hmj|X' гсЫй? cn кммнх) de b pcirttNkkur de fuvee гэшак
Рис. 4.5.5. Относительная мощность резания в зависимости от ра-
диальной глубины прохода ае
1- радиальная глубина прохода ае в мм; 2- относительная мощность
резания, kW/mm
Гф 4 3.6: hrnwnrc de coupe (ctxivc en кик iron Je la vik w de coupe
Рис. 4.5.6. Относительная мощность резания в зависимости от ско-
рости резания
1- скорость резания Vc , м/мин; 2- относительная мощность реза-
ния, kW/irun
if го
a, • 3 mm
d * SOmn
I ?'
« IF
7 - 1Г
A -25'
a AJMg3
b Al Mg4 $ Mn
€ Al Cu /Jg Pb
d Al Cv My i
• AJZnKIgCulS
l=iy. 4 5.7 : V'wunic
^pdilaqiif de <«»•
|kju4 <n f«NKln vi de
la i ioextf de «wipe
Рис. 4.5.7. Удельный объем стружки в зависимости ст скорости ре-
зания
1- скорость резания Vc , м/мин; 2- удельный объем стружки,
см3/мин-кИ
Сливная стружка, получаемая при этой скорости для деталей с
оптимальной геометрией, имеет очень малую степень деформации,
т.е. имеет очень малую усадку. С увеличением отклонения от этой
оптимальной скорости резания сливная стружка вначале преобразу-
ется в элементную, а затем в суставчатую. Эта зона перехода су-
жается с увеличением подачи на зуб.
Во время этого перехода от сливной стружки к суставчатой нор-
мальная сила резания и пассивная сила могут возрасти наполовину
по отношению к силе резания.
4.5.1.3.2. Подача
Начиная со скорости подачи Vf - 3000 м/мин для изученных ско-
ростей резания получено линейное регулярное увеличение удельной
мощности резания (рис. 4.5.8). Для меньших скоростей подачи кри-
вая более горизонтальна. Ниже подачи на зуб fz =0,005 зуб
дальнейшее увеличение скорости подачи не позволяет продолжить
рост удельного объема стружки (рис. 4.5.9).
AJ Cu MgPb
К 20
l, «3 mm
<J 50fn*i
I -2
c 13'
у .12*
A -2S-
« Ve 3016«Vmin
t Vc . з Wm/rrwi
c ve - Э7ГОт¥пл
d V< 424im'nwt
• Vc«4712rtHwi
f Vc « 5Ш7гт»гтт
g Vf • 5?«?msrT»n
h Vt. 54Semftrwi
|jg.4JJ8: I’bi.vunct
de coupe il.jue
en fuKikx de U *i* J
lessc Javancc
Рис. 4.5.8. Удельная мощность резания в зависимости от скорости
подачи
1- скорость подачи vr , м/мин
2- относительная мощность резания, kW/njn
rip 4.5.9; v,ikiiite de ^х\«Гн|1к <ai Ник it<v> U«.* Ц t tievH* d e^.iKV
AJCu Mg Pb
420
jg 3 mm
d • 50mm
Ж «2
о - 13’
у -12’
A .25’
a Ve . 30l6*nirm
b Vc.32WrtVmm
c vc • 3 *?0mfnwi
d V< - 424 InVmln
® Vc.47>2nVnw»
I Vc . 5O27m»mrt
9 Ve 5262mVwn
h Vc -
Рис. 4.5.9. Удельный ofVbCM стружки в зависимости от скорости по-
дачи
1- скорость подачи Vf , м/мин
2- удельный объем стружки, см’/мин-kW
4.5.1.3.3. Геоме грия инструмента
4.5.1.3.3.1. Нормальный передний угол
Относительно удельного объема стружки, относительной мощности
резания и удельной силы резания наиболее благоприятным значением
нормального переднего угла является у=12° (рис. 4.5.10 и 4.5.11).
В случае положительного или отрицательного отклонения от это-
го оптимального значения нормального переднего угла сила резания
увеличивается на 1-2% па каждый градус отклонения.
Fig.4.5.10: Volume sp&ifiqpe de снреаих cn fcHKiivnde Гэнук de coupe vNilrogvn J de Foulil
Рис; 4.5.10. Удельный объем стружки в зависимости от нормального
।переднего угла инструмента
1- передний угол у в градусах;
2- удельный объем стружки, см3/мин-кМ.
I >F 4.5.11 H.hw JC«iqv.prt.lkpeenrMKlimi fc lanjk *t<wpr «Ux.pHiul ikf'ixilil
Рис. 4.5.11. Удельная сила резания в зависимости от нормального
переднего угла инструмента
1- передний угол у в градусах;
2- средняя удельная сила резания Е^/ар , Н/мм.
4.5.1.3.3.2. Задний угол
Задний угол а должен быть по возможности выше 10° в связи с
большими скоростями подачи. Для меньших значений заднего угла
при высоких скоростях резания возникают очень высокие значения
температуры в зоне контакта задней поверхности с деталью. В свя-
зи с этим материал может выбрасываться из зоны контакта и нали-
пать сразу же позади на задней поверхности.
Это явление ложной стружки приводит к дополнительному трению,
дополнительному нагреву детали и в результате к ухудшению каче-
ства обработанной поверхности. Этот эффект играет критическую
роль, особенно при трехкоординатной обработке, в связи с малыми
значениями радиусов. При фрезеровании деформируеьых алюминиевых
сплавов особенно благоприятным значением переднего угла оказа-
лось значение а = 13°.
4.5.1.3.3.3. Угол наклона главной режущей кромки
I
Угол наклона Л режущей кромки инструмента (для инструментов с
винтовыми зубьями: винтовой угол, угол закручивания • или угол
спирали) влияет на'направление общей силы резания, в частности,
в связи с появлением дополнительной составляющей. Угол наклона
режущей кромки практически не влияет на силу резания и на нор-
мальную силу резания, а также на удельную мощность резания, но,
однако он оказывает очень большое влияние на пассивную силу
(рис. 4.5.12).
Тем не менее, при фрезеровании в массе рекомендуется исполь-
зовать инструменты с углом наклона 20...250 в связи с тем, что при
этом легче удаляется стружка. Меньшие углы наклона могут приво-
дить к пакетированию стружки, что влечет ухудшение качества об-
работанной поверхности.
4.5.1.4. Температура стружки и детали1
Температура стружки зависит от коэффициента ее усадки. Темпе-
ратура очень сильно возрастает при малых значениях подачи на зуб
(менее £г =0,025 мм/зуб) вплоть до температуры плавления материа-
ла по мере того, как тонкая сходящая стружка подвергается очень
сильному трению и значительному деформированию на режущей кромке
(рис. 4.5.13). Тепловая энергия стружки этого типа такова, что
она может вновь привариться к детали немедленно после ее образо-
вания. Если подача на зуб не достигает значения радиуса скругле-
ния режущей кромки, то никакого удаления материала больше не
происходит.
Значительное трение производит тепло до плавления поверхности
детали. Начиная с подачи на зуб fх =0,05 мм/зуб нагрев детали
мал, что позволяет избежать образование мягких точек и тепловую
деформацию детали. По мере того, как основная часть тепловой
энергии процесса снятия материала уносится стружкой, важньы ста-
новится охлаждение очень горячей стружки и ее возможно более бы-
строе удаление от дета ни.
Рис. 4.5.12. Пассивная удельная сила в зависимости от угла на-
клона главной режущей кромки
1- угол наклона режущей кромки X в градусах;
2- средняя пассивная удельная сила Ррт/ар , 11/мм
Viless» (favancfl v Г
on m/mln
iHj. 4.5.15: T<ni|Kf3lure<Jaco|>ca<rt<1de la рй«
Рис. 4.5.13. Температура стружки и детали
1- скорость подачи.Vr , м/мин;
2- температура Т, °C;
3- температура стружки;
4- подача на зуб fz, мм/зуб;
5- температура детали;
6- окружающая температура.
4.5.1 - 5. Качество обработки
Рис. 4.5.14 и 4.5.15 показывают, что высокоскоростное фрезе-
рование позволяет получить качество поверхности близкое к полу-
чаемому после шлифования. Возможно получение параметра Ra — 1
мкм без последующей финишной обработки. Использование смазываю-
щих орел, особенно при средних скоростях подачи 3000...6000 мм/мин
позволяет улучшить качество поверхности максимум,на 20% и сни-
зить значения параметров Ra и Rz.
Ч
Fig 4.5.14 : Pivfotxkw <Je ragoiitf mwjtrnx J At Co Mf ГЬ)
Рис. 4.5.14. Средняя высота неровностей (Al Си Mg Pb)
1- скорость резания Vc , м/мин;
2- средняя высота неровностей Rz, мкм;
3- скорость подачи Vf , м/мин.
Рис. 4.5.15. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra
1- скорость резания Vc , м/мин;
2- параметр Ra, мкм;
3- скорость подачи Vr , м/мин.
4.5.1.6. Удельная сила резания
Исследования удельной силы резания показали, что она вначале
уменьшается по мере роста толщины стружки, затем медленно увели-
чивается, начиная с толщины стружки примерно 0,1 мм. Вид этой
кривой обусловлен тем, что при увеличении толщины стружки трение
на передней поверхности возрастает в связи с инерционным воздей-
ствием массы стружки. Типичные зависимости, представленные на
рис. 4.5.16, характерны для всех исследованных материалов.
rtf. <1.5.IC. Rdxtoii tiiirc li ifc i\hi|K* >|4xil»quc «1 Гсртъчсиг «к
AJCuMflPb
К 20
Vc 3770mfmr*
d и SOrrwn
i «2
u 13*
b
d
Рис. 4.5.16. Связь удельной силы резания с толщиной стружки
1- толщина стружки h, ьал;
2- удельная сила резания к<. , кН/ммг.
4.5.1.7. Резюме
При высокоскоростном фрезеровании деформируемых алюминиевых
сплавов благоприятные скорости резания располагаются между 2000
м/мин и 4500 м/мин в зависимости от состава сплавов и их твердо-
сти. Подача на зуб может принимать значения от 0,03 до 0,2
мм/зуб. Вид фрезерования (встречное или попутное) не оказывает
никакого влияния на качество поверхности и износ инструмента.
Поверхность имеет качество, получаемое после шлифования, поэтому
финишная обработка в большинстве случаев не нужна. Удельный объ-
ем стружки в 2...3 раза превышает значения, получаемые после обыч-
ного фрезерования. Это позволяет уменьшить время обработки в
среднем на 40—60% в зависимости от сложности детали. Снижение
температуры при удалении материала не влечет никакой поверхност-
ной . модификации материала (например, ^понижения поверхностной
твердости).
Малые силы резания позволяют легко обрабатывать детали с тон-
кими стенками и чувствительные к вибрациям без всяких дополни-
тельных средств закрепления. В зависимости от прочности деформи-
руемого алюминиевого сплава имеется даже возможность увеличить
стойкость инструмента для традиционных режущих материалов, на-
пример, для твердых сплавов без покрытия, что снижает затраты на
инструмент.
Таблица 4.5.1. Основные условия обработки при фрезеровании де-
формируемых алкх^ипиевых сплавов
Л«формируй we алкмтниеоые сшивы За1-ечания инн особые условия
i. Гесюетрил ре*у-рй i paw a У Р Vr-3000. .4700 м/мм V,®3000. .12000 М.1/МШ а, 50 мл <1-50 км Z--2
Тоертьм сплав 11 лз-ie 10-15 £25 0,005 -0,01
ТЬерльй сплав а 12-15 12-15 >20 0,005 -0,01
2. Лип стружки сливгая стружка полньй дмапаэоч ско- ростей резания
3. Улелыьй оОьем fx'3-лмя Vcn»« 60 cw’/t-Mii kW для Vc *3000 мА-ип V/1 2 •- 70 ai’/iaukkW для Vc -3000 m/i-xui ои. строку 1
«1. Состояние поверх! юсти Vc (м/млн) 3000'* ЗООЛ4 ЯОО” 5oa? Vг-6000 и-1/mui иначе см. строку 1
R. (м<м) 0,9 0,8 0,3 0,3
R, (1-ИЛ] 6,0 4,9 2,1 1,9
S. Рсксмз/Щуе- м>й режуиии материал K10 («?ТГ8К6Ь K20 (*ВКб, BK60M) Пошкрюташи^еский ал-нз для лучшего качества поверхности
6. Река-х*кд/е- мэя Скорость резания ; * V^O (м/ьмн) Критерий из- носа V^-6000 мл/мчн иначе см. строку 1
АЛ Мд 4,5 И?1 4700 VEj,4K 1 М4
АЛ Мд 3" 4700 vivo. Об м.1
Al Zn Мд Cui, 5" 4700 VEU 0,16 мл
Al Си Мд FbJI 4700 WO, 12 мл
7. Рексмешцуе- мая подача- f- , Ml Vj (m-i/mdi) Vy3000.. 4700 м/мш иначе 04. строку 1
1) 0,04-0,02 2000-10000
2) 0,05-0,02 ' 2500-10000
1) Деформируемые алюминиевые сплавы ов < 300 МПа
2) Деформируемые алюминиевые сплавы ов > 300 МПа !
5. Инструмент для фрезерования
При разработке фрезерного инструмента для высокоскоростного
фрезерования определяющими являются четыре критерия: режущий ма-
териал, геометрия инструмента, особенности детали и закрепление
инструмента на станке.
5.1. Режущий материал
4
Для выбора режущего материала необходимо хорошо знать сопро-
тивление износу для каждого вида материала. Обработка различных
материалов требует также различных материалов для режущих инст-
рументов.
Глава 4 показывает, например, что поликристаллический алмаз и
кубический нитрид бора наиболее подхрдят для обработки легких-
сплавов. Тем не менее, для получения нужной стойкости необходимо
принимать во внимание некоторые ограничения, обусловленные как
маркой легкого материала, так и возможностями выбора внутри каж-
дого типа режущих материалов.
Кермета подходят для обработки сталей. Быстрорежущие стали и
твердые сплавы здесь исключаются в связи с очень низкой стойко-
стью инструмента.
Для обработки высоколегированных сталей твердые сплавы с по-
крытием показали практически те же характеристики по износу, что
и керметы. Для обработки серого чугуна используют преимуществен-
но твердые сплавы с покрытием, керамику или кубический нитрид
бора. ;
Для меди и медных сплавов твердые сплавы дают вполне доста-
точную стойкость, если использовать подходящую СОЖ, однако стой-
кость поликристаллического алмаза значительно выше. Для армиро-
ванных пластмасс удовлетворительные результаты дает только поли-
кристаллический алмаз.
5.2. Геометрия инструментов
Чтобы получить необходимую стойкость, необходимо оптимизиро-
вать геометрию инструмента. Результаты, представленные в главе
4, показывают, что геометрическая форма режущей кромки сильно
зависит от обрабатываемого материала. Если оптимальное значение
переднего угла для деформируемых алюминиевых сплавов находится
между 12 и 15'- , то для литейных алюминиевых сплавов нужно выби-
рать большие значения переднего угла. В первом случае задний
угол 13° нужно считать наиболее подходящим, в то время, как для
второго случая задний -угол должен быть 12°. Наилучшее удаление
стружки обеспечивается при угле наклона режущей кромки 20...25 .
Для высокоскоростного фрезерования стали рекомендуется перед- 1
ний угол 0° и задний угол 16°. Труднообрабатываемые стали фрезе-,
руются с передним углом 0° и задним углом 20°. Для фрезерования
чугуна предпочтительно использовать инструменты с передним углом
0° и задним углом 12°. .
Для меди и медных сплавов задний угол выбирается между 6° для
деформируемых сплавов и а = 8-12° для труднообрабатываемых спла-
вов. Передний угол выбирают у = 8° для деформируемых и легкообра-
батываемых сплавов и в пределах у =12...25° (в зависимости от проч-
ности) для труднообрабатываемых сплавов. Инструменты для обра-
ботки армированных пластмасс затачивают с передними углами у =
5...8° и с задними углами а = 1O...150.
5.3. Конструкция инструмента
При фрезеровании возникают усилия в виде центробежных сил и
сил среза, которые воздействуют на инструмент (рис. 5.1). Силы
среза действуют как нагрузка на контактных поверхностях режущего
лезвия.
Fc: епо<| tfe coupe
’хнггп tie ссо-р-
еНоН pass*
Оо Ьче сеоийуу» du corps
cWTsWyg* СИ to
де сомре
l'ig. 1:Н*иЬ jp-ivuiw ч k*t«4ink <k
(irjmle
Рис. 5.1. Силы, действующие на инструмент при высокоскоростном
фрезеровании 1
Гс - сила резания; Fa, - нормальная сила резания; Fp - пассивная
сила; Fre - центробежная сила на основном корпусе; Ffw - центро-
бежная сила на режущей пластине.
Когда геометрия резания подобрана правильно, сила сдвига сжи-
мает-. многогранную 'пластину в углублении под пластину, поэтому
элементы закрепления (винты, прихваты, шпонки) не подвергаются
дополнительному нагружению.
В противном случае центробежная сила стремится вытянуть мно-
гогранную пластину-в радиальном направлении. В связи с этим сис-
тема закрепления (например, винтами) нагружается изгибающими и
сдвигающими нагрузками. Именно по этой причине конструкция инст-
румента для высокоскоростной обработки требует учета нс только
собственно возможности обработки, но и дополнительного исследо-
вания оснозно±’,о корпуса и системы закрепления с точки зрения
безопасности.
Можно четко выделить специальные требова! иля, предьявляемые к
монолитному инструменту и к инструменту с многогранными пласти-
нами .
< I
5.3.1. Требования к монолитному инструменту
Опыт,, накопленный к настоящему времени в области проектирова-
ния монолитного инструмента для высокоскоростной обработки, по-
зволяет предъявить следующие требования:
а) Повышенная механическая жесткость, к
б) Значительный угол наклона спирали с целью снизить вариацию
составляющих результирующего усилия среза.
в) Многокромочный инструмент, включающий по возможности 2 или 3
режущих кромки.
г) Значительные по объему стружечные канавки.
д) Исключить концентрацию напряжений при переходе от хвостовика
к стружечным канавкам.
е) Минимальная погрешность некруглости, не превышающая 3 мкм, в
связи с малой толщиной стружки в случае многозубых винтовых
Фрез.
ж) ’Уравновешивание для хвостовых фрез с режущей кромкой, рабо-
тающей по центру.'
5.3.2. Требования к ин<: ь у м>- нту с многогранными пластинами
а) Закрепление многогранных пластин в соответствии с направлени-
ем скорости резания либо только прижимом, либо при::з4мом с задел -
кой в корпус инструмента.
б) Соблюдение осе вой симметрии для исключения дисбаланса.
в) Возможность регулировки для соблюдения допусков менее 0,005
мм.
г) Элементы для балансировки.
д) Достаточное пространство между зубьями.
5.3.3. Проблемы конструкции инструментов
Обычно препятствием использованию стандартных инструментов
являются большие цен гробежные силы, действующие на корпус инст-
румента и на элементы закрепления. Для устранения различных про-
блем в рамках исследования были разработаны конструкции фрез для
высокоскоростной обработки: монолитные фрезы диаметром 10 мм и
фрезы с многогранными пластинами диаметром *10 мм с числом зубьев
2...4.
5.3.3.1. Хвостовые фрезы
Кроме исследования геометрии резания, адаптированной к высо-
коскоростной обработке, была, прежде всего, проведена оптимиза-'
ция сечения с точки зрения размещения стружки и жесткости корпу-
са инструмента. .-Это исследование привело к разработке прототипов
твердосплавных фрез для обработки цветных металлов (рис. 5.2).
Режущие инструменты должны быть как можно более жесткими (рис.
5.3) .
Isip. 5. ’ : Ьлчч a «jucut lypiipKx сп сяг-
1ч1г< p»nil Гимндрс GjuihJc VilCAv.’ Сс llrf-
1Ж1Х wa.knvux lihuiiKfic 10 mm)
a) fir»*©
2 -3*3
I, 40птя
b) if *>se pour
2 -4
Ц r 40mm
c) frfHM’ 1 ramwer
Рис. 5.2. Твердосплавные фрезы типовых конструкций для высоко-
скоростного фрезерования цветных металлов диаметром 10 мм
а) фреза черновая и чистовая; в) фреза для периферийного фрезе-
рования; с) канавочная Фреза
Рис. 5.3. Влияние сечения инструмента на жесткость
1- длина рабочей части, мм; 2- жесткость, мкм/Н/мм
В настоящее время ьы располагаем программами расчета, которые,
в частности, при обработке деталей с тонкими стенками определяют
жесткость детали и инструмента в зависимости от условий резания
и которые учитывают эти факторы при программировании траектории
фрезы и при окончательном определении условий резания с учетом
необходимой размерной точности и точности формы (рис. 5.4).
к
t’»f. 5.J . fr«4i! кк рас ccmiIum
Je 1л(jriilrtcitHJiilii «к* Ij piece
Рис. 5.4. Сечение детали, получаемое в результате влияния жест-
кости инструмента и детали
1- теоретический контур; 2- реальный контур.
5.3.3.2. Фрезы с многогранными пластинами
В связи с различными скоростями резания, сильно зависящими от
обрабатываемого материала, были разработаны различные конструк-
ции инструмента.
При высокоскоростной обработке сталей и чугунов возможно ис-
пользование практически стандартного инструмента. Однако для об-
работки алюминиевых, медных сплавов и армированных пластмасс не-
обходимо разрабатывать специальные инструмента.
Фрезы с многогранньыи пластинами для скоростей обработки ниже
2000 м/мин уже используются во многих отраслях автомобильной и
авиационной промышленности. В этих фрезах возможно использование
общепринятых различных систем зажима. Испытания на сверхвысоких
скоростях позволили сделать заключение, что эти системы зажима,
а также универсальные системы зажима прихватами вполне можно ис-
пользовать для фрез диаметром свыше 40 мм для скоростей резания
менее 2000 м/мин (рис. 5.5).
С учетом того, что эти инструменты используются также для
чистовой обработки и что максимальная толщина стружки при высо-
коскоростном фрезеровании сравнительно мала, необходимо, чтобы
инструменты имели осевую, а также радиальную регулировку (рис.
5.6).
Рис. 5.5. Предельные скорости резания для фрез с многогранными
пластинами с различивши типами зажима
1- диаметр, мм; 2- предельная скорость, м/мин; 3- зажим шпонкой;
А- зажим прихватом; 5- зажим вставкой; 6- зажим блокирующей
шпонкой. Ч
Рис. 5.6. Регулируемая фреза для высокоскоростной обработки
Проработка сопряжения основного корпуса с многогранной пла-
стиной имеет очень большое значение для скоростей резания свыше
2000 м/мин. Фиксация прижимом становится недостаточной в связи с
большими центробежными силами. Поэтому необходима заделка пла-
стины в основной корпус инструмента. Системы зажима должны пре-
пятствовать центробежньы силам, обеспечивать необходимое разме-
щение стружки и должны быть просты при монтаже.
На рис. 5.7 показаны различные фюрмы многогранных пластин,
фиксируемых с помощью заделки. Решение, представленное на рис.
5.8, технически и экономически наиболее интересно. В случае ин-
струмента со вставками (рис. 5.9) необходимо, чтобы вставки ре-
гулировались по трем .осям. В связи с тем, что вставки имеют зна-
чительно большую массу, чем многогранные пластины, их необходимо
фиксировать заделкой, чтобы исключить всякую возможность ради-
ального выброса вставки из корпуса.
Fig. 5.? : Vatume* Je hnKilxc pla-
qudte tk ошрг - окр' Jc Hjmt: сгоре
A-B
Рис. 5.7. Варианты сопряжения режущей пластины с корпусом: сече-
ние А-В
1- центрирующий цилиндр; 2- центрирующая канавка в пластине; 3-
центрирующая канавка в основном корпусе; 4- эксцентричная цен-
трирующая канавка; 5- канавка для регулирующей пружины; б- приз-
матическая канавка в режущей пластине; 7- призматическая канавка
в основном корпусе.
Рис. 5.8. Хвостовая фреза с пластинами для высокоскоростной об-
работки; сечение А-В
. 5.9: OuHl <fc 3 cjiIouuIk |мхж Гим-
nagc Gtainfc Viicwc
Рис. 5.9. Фреза co вставками для высокоскоростной обработки
В большинстве случаев инструменты для высокоскоростной обра-
ботки должны балансироваться. Для этого могут предусматриваться
отверстия для балансировки или кольцевые канавки на инструменте,
в которых располагают балансировочные блоки, позволяющие произ-
водить динамическую балансировку инструмента до остаточного экс-
центриситета 0,1 мкм {рис. 5.101.
I lf 5 111. Chilil Аг Iraisipt э gramJe 11Юч’
Рис. 5.10. Фреза для высокоскоростной обработки
Поскольку силы, действующие на основной корпус инструмента,
являются не силами срезания, но главным образом инерционными си-
лами, все большее значение приобретают новые легкие материалы
для корпусов в связи с их пониженной массой. Исследование проч-
ности, выполненное на корпусах в форме дисков из различных мате-
риалов, показывает, что инструменты, изготовленные из
риалов с меньшей удельной массой и с меньшим модулем
позволяют достигнуть более высоких
рументы из стали (рис. 5.11).
этих мате-
упругости,
чем инст-
скоростеи вращения,
Рис. 5.11. Предельные частоты вращения для инструментов, изго-
товленных из различных материалов
]-частота вращения, мин’; 2- тангенциальный зажим/донустимый за-
жим; 3- сталь; 4- алюминий; 5- углеволоконный композит.
*«> 3
- AJyrrWMFn А
Сопужле -п Axes de елПкм*
Гц;. 5.11: Viceyvo. de пялила [x»ur
des iniiiJ* di Hit fe ctHpi ol <TMt4iivj de пюк‘
liiiux iMfwems
5.4. Сопряжение инструмента с главньи шпинделем
Результаты высокоскоростной обработки зависят самым сущест-
венным образом от сопряжения шпиндель - инструмент и от системы
зажима инструмента, поскольку они Должны выполнять свои функции
в особо тяжелых условиях. Это сопряжение участвует в передаче
усилий между станком и деталью. Поэтому необходимо иметь его оп-
тимальную конструкцию не только для обеспечения быстрой автома-
тической смены инструмента и для передачи повышенных мощностей,
но также для достижения максимальной точности и надежности за-
крепления .
Кроме;общих критериев при фрезеровании, таких, например, как
передача моментов и сил, появляются другие требования, свойст-
'венные высокоскоростной обработке: малый дисбаланс, жесткие до-
пуски цилиндричности и плоскостности, высокая точность позицио-
пирования, пониженное влияние центробежных сил, обеспечиваемое
малыми радиальными размерами и малыми массами.
В качестве сопряжения используют конус или цилиндрический
хвостовик. При высоких частотах вращения сопряжение по конусу
создает некоторые трудности в связи с погрешностью соосности ин-
струмента и шпинделя, обусловленной расширением конуса. В связи
с этим фиксация инструмента имеет зазор е радиальном направле-
нии, и после торможения происходит заедание. Сила выбрасывания
инструмента, обеспечиваемая системой зажима, в ряде случаем ока-
зывается недостаточной. Поведение сопряжений на высоких скоро-
стях детально представлено в 6.4.
При исследовании сопряжения инструмент-шпиндель возможные
усовершенствования, которые можно внести в конструкцию хвостови-
ка конуса- с тупым углом, также важны, как и усовершенствования
непосредственно шпинделя. Осевое позиционирование захвата инст-
румента предотвращает биение инструмента и увеличивает жесткость
соединения. Величина силы освобождения инструмента остается нор-
мальной. Как показано в 6.4, сила зажима оказывает решающее
влияние на результаты обработки.
Результаты ’• высокоскоростного фрезерования ясно показывают,
что для исключения проворота инструмента при высоких мощностях
резания необходимо использовать приводные элементы, врезанные в
корпус инструмента. Использование стандартных приводных элемен-
тов на высокоскоростных' шпинделях невозможно. По причинам безо-
пасности и шума поверхности приводных элементов должны распола-
гаться внутри. Поэтому был разработан новый хвостовик инструмен-
та, представляющий комбинацию конуса и многогранника (рис.
6.4.8).
Систем.! традиционного зажима, предназначенные для инструмен-
тов с цилиндрическим хвостовиком, ни в коем случае не могут быть
использованы при высокоскоростном фрезеровании. В связи с боль-
шими центробежными силами цанга внешнего зажима раскрывается,
что приводит к большим потерям сиры зажима. Фреза больше не
удерживается и выбрасывается из патрона.
Новые специальные зажимные патроны для высокоскоростной обра-
ботки хвостовыми фрезами характеризуются длиной зажима, введени-
ем усилия зажима и жестким допуском на цилиндричность. Хвостовик
зажимного патрона соответствует стандарту D1N 69871. Система
цангового зажима работает с использованием центробежных сил, по-
этому, улучшает зажим при высоких частотах вращения (см. 6.4).
5.5. Резюме
Инструменты, используемые при высокоскоростной обработке,
должны отвечать особым критериям, зависящим от обрабатываемого
материала. Изучение режущих материалов, предлагаемых в настоящее
время на рынке, ясно показывает', что только очень дорогие режу-
щие материалы позволяют получить удовлетворительную стойкость
инструмента. Ускорение разработки новых режущих материалов, од-
новременно более стойких и менее дорогих, составляет одну из
важнейших задач инструментальной п] юмышленности.
Для сопряжения инструмент - шпиндель уже существуют удовле-
творительные решения. Тем не менее, необходимы новые разработки.
В деревообрабатывающей промышленности, а также для шлифовальных
кругов уже длительное время существуют технические требования на
испытания, предоставленные'инструментальными синдикатами. В ме-
таллообрабатывающей промышленности определение степени безопас-
ности инструментов, работающих на очень высоких скоростях, ос-
тавлено за изготовителями инструментов.
В связи с введением нового закона об ответственности изгото-
вителей некоторые из них уже проводят испытание на избыточных
скоростях инструментов для высокоскоростной обработки. Институт
ITW в Дармштадте планирует разработать в сотрудничестве с изго-
товителям'! инструментов профессиональный синдикат, национальную
лабораторию по испытаниям материалов и принципы контроля, пред-
назначенные для выдачи разрешения на использование фрезерного
инструмента в шпинделях, вращающихся на очень высоких частотах.
8. Системы САД - CAN
8.1. Решаемые проблемы
При высокоскоростной обработке на точность и себестоимость
деталей влияют многочисленные факторы. Кроме особенностей, свой-
ственных обработке со снятием стружки, сюда входят особенности
станка и его узлов, геометрическая форма и материал детали, ма-
териал и геометрия инструмента, влияние температуры, время цикла
управления и, прежде всего, стратегия обработки, которая оказы-
вает решающее-влияние на качество обработки (рис. 8.1).
| Ccwminde СНС |
big. X I d inllixrKc сп inxiferc (Тимпане prcvcs 2 1/2 О
Рис. 8.1. Факторы, влияющие на обработку 2,5-мерных деталей
1- точность обработки, рентабельность; 2- условия резания; 3-
стано{<; 4- инструмент; :5- температура; 6- геометрия детали; 7-
стратёгия обработки; 8- система ЧПУ.
| ptobtfmei б ।
toiue их vitaikns/{|
temps рпгк! uJ q
d'uslnsje plus Itxif
ui/ctovedc traiupe
penurtde ]()
Hj. 8 ’: EienJu, des puUbiies Ws 5 b icdinolojic UGV
Рис. 8.2. Проблемы, связанные с высокоскоростной обработкой
1- технология высокоскоростной обработки; 2- скорость резания;
3- скорость подачи; 4- подача инструмента; 5- геометрия детали;
6- причина; 7- стратегия обычного^фрезерования;. 8- проблемы; 9-
более длительное основное время обработки; 10- нарушенная траек-
тория фрезерования; 11- виброустойчивость; 12- нагрузка на ста-
нок.
1 Если применить к высокоскоростной обработке традиционную
стратегию, разработанную в системах программирования СЛД-САМ или
I ЧПУ и применяемую сегодня, то возникнет ряд проблем, относящихся
г к следующим областям: стойкость инструмента, деформация детали
( под действием теплоты, • виброустойчивость системы станок-деталь,
|; точность формы и поверхности, основное время обработки (рис.
8.2) .
Поэтому высокоскоростное фрезерование требует применения дру- I
того типа программирования операций и новой стратегии резания, ’
чтобы гарантировать рентабельное применение. Ниже каждая пробле- ‘
ма объясняется детально, что проясняет 'общую проблематику.
8.1.1. Отклонение траектории фрезерования
Точность реалькой траектории фрезерования по отношению к за-
данной траектории зависит от выбранной скорости подачи и от ве-
личины угла при изменении направления, поскольку инерционные си-
лы, действующие в момент изменений направления, будут отклонять
инструмент от заданной траектории [6,8].
Современный анализ с очень коротким временем цикла учитывает
этот неизбежный физический эффект и сглаживает процесс прежде-
временного инверсирования (рис. 8.3).
—- ее л
(i^Saui 0.1 mm рем V, • 60
rif. JLJ : |\ л«<k la irajeckwic
pc |wiuf un diunpcniciu Jc Jiicvtnw ЗДГ
Рис. 8.3. Отклонение траектории фрезерования при изменении на-
правления на 90°
1-теоретическая траектория фрезеровала; 2- реальная траектория
фрезерования (погрешность 0,1 мм для Vf = 60 ьм/мин); 3- погреш-
ность .
it
Отклонение траектории фрезерования непрерывно растет в зави-
симости от роста скорости пода ли и от изменения направления и
может привести к большим погрешностям при высокоскоростном фре-
зеровании при соответствующем увеличении скорости подачи. Следо-
вательно, технология высокоскоростного фрезерования должна пре-
дусматривать такие траектории фрезерования, чтобы изменения на-
правления имели как можно меньшие углы.
Ftg. 3.1: Бсзп de Ij tojcLtoirc de cn
foiiciivn de h viwsxe davance ci de tangle du
ufungcmeei de direction de la irajectoirv
' • 1
Рис. 8.4. Отклонение траектории фрезерования в зависимости от
скорости подачи
1-. максимальная
и угла изменения направления траектории
погрешность в мм; 2- скорость подачи в м/мин
8.1.2. Основное время обработки
: Стратегия традиционного фрезерования в большинстве случаев
вклкнает линейные отрезки траекторий. Обработка ведется вначале
в одном направлении и поверхность обрабатывается последователь-
но. Эта методика требует' частых остановов и пусков двигателей
подач. Этот процесс требует дополнительного времени, поэтому ос-
новное время обработки содержит еще некоторый потенциал эконо-
мии, несмотря на повышенную скорость обработки.
Использование этого потенциа па может быть достигнуто повой
стратегией фрезерования, которая позволит инструменту постоянно
работать при непрерывном фрезеровании обраба гываемой поверхно-
сти.
8.1.3. Износ инструмента
^.Износ инструмента определяете я выбором инструмента (геометрии
и материала)’ и условий фрезерования: глубина прохода, подача и
скорость резания. Кром^ того, прерывистая работа инструмента от-
рицательно сказывается на его износе. С учетом того, что ско-
рость подачи должна быть замедлена вплоть до полной остановки в
момент изменения Направления, .этот эффект может привести к уве-
личению износа инструмента и к повреждению обработанной поверх-
ности. Новая стратегия резания должна предотвратить прерыви-
стость в снятии материала и гарантировать возмож! ю белее ста-
бильные скорости по траектории.
8.1.4. Деформация детали в связи с нагревом
Деформация детали в связи с нагревом обусловлена неравномер-
-i >im поступлением тепла в деталь. Опасность локального накопления
тепла появляется в особенности в случае традиционного фрезерова-
ния канавок, поскольку снятие стружки не гарантируется при оста-
новках инструмента на, торцах детали и горячая стружка может на-
капливаться на периферийных частях. Следовательно, новая страте-
гия резания 'должна гарантировать непрерывное снятие стружки.
8.1.5. Виброустойчивостн детали к
Обработка тонкостенных деталей может представлять значитель-
ные трудности. В случае снятия значительных припусков в условия
малой толщины остающихся частей со статической и динамической
упругостью [1, 3, 7] при их обработке возникают вибрации. Эту
проблему можно решить соответствующим распределением силы реза-
ния и соответствующим управлением вводиьадии силами. Новая стра-
тегия резания предусматривает автоматическое снижение подачи ин-
струмента при возрастании глубины обработки с. тем, чтобы предот-
вратить повреждение тонкостенных деталей слишком большими силами
резания и препятствовать возникновению вибраций.
8.1.6. Нагрузка на станок
При обычном фрезеровании канавок и карманов инструмент пода-
ется в деталь перпендикулярно, что создает довольно значительную
осевую нагрузку на шпиндель [5, 9]. При разработке нового процес-
са необходимо найти новый метод подачи, позволяющий постепенное
i
погружение инструмента в деталь.
8.1.7. Стратегия обработки при высокоскоростном фрезеровании
С учетом трудностей на ранних стадиях в условиях попыток со-
вместить высокоскорост! юе обработку с традиционной стратегией
фрезерования новая стратегия должна учитывать следующее:
- непрерывное снятие материала
। - равномерное движение подачи
- траектории фрезерования с малыми изменениями направлений
- траектории фрезерования, учитывающие идеальное снятие стружки
•и
- подачу фрезерования, учитывающую вибрации
- непрерывное внедрение
8.1.8. Традиционное фрезерование
Под традиционным фрезерованием подразумевается обработка по-
верхности прямолинейными проходами. В настоящее время при обра-
ботке 2,5-мерных и 3-мерных деталей использование систем САД -
САМ осуществляется исключительно по принципу фрезерования парал-
лельными резами.
Обработка 3-мерных деталей используется главным образом при
изготовлении форм .и макетов. Процесс обработки 3-мерных деталей
нерегулярной формы соответствует обработке 2,5-мерных деталей
прямолинейными проходами с той разницей, что дополнительная ко-
ордината Z требует управления по трем координатам.
8.1.9. Выбор системы САД-САМ
После углубленного исследования для внедрения новой стратегии
фрезерования при обработке 2,5-мерных и 3-мерных деталей была
выбрана система САД-САМ FIDES-EUCLID (именуемая ниже ЭВКЛИД) .
Используются элементы языка, присутствующие в системе САД-САМ,
такие, как инструкции и операции, а также режим функционирования
техники подпрограмм с помощью геометрических функций.
В структуре памяти системы САД геометрические данные системы
ЭВКЛИД хранятся в форме иерархических списков. Поэтому можно
хранить внутренним путем соотношения между различными геометрия-
ми с тем, чтобы облегчить подготовку новых геометрий для других
процессов расчета. д 4.
Кроме возможности вызова геометрических данных из системы
САД, система САД-САМ позволяет определить траекторию фрезерова-
ния с помощью интегрированного модуля фрезерования. Таким обра-
зом имеется возможность разработки! геометрии и траектории для
обработки деталей.
Техническое преобразование программ может осуществляться как
с помощью языка ЭВКЛИД, так и с помощью языка ФОРТРАН. Для адап-
тации программ ФОРТРАН к языку ЭВКЛИД возможно использование ин-
терфейса ФОРТРАН, реализованного в системе ЭВКЛИД.
8.2: Система САД-САМ ЭВКЛИД
8.2.1. Принцип работы
Сметема САД -САМ ЭВКЛИД служит для описания задач производства
с помощью программ, имеющих один я зык. Mj ггерфеис пользователя
предоставляет в распоряжение пользователя три различных возмож-
ности общения с системой.
- во-первых, возможен интерактивный метод работы с использова-
нием 'блоков графического ввода, например, таблица меню или
экранные меню; н
- во-вторых, существует ввод, ориентированный на диалог с помо-
щью элементов языка, предоставляемого системой ЭВКЛИД,-
- в-третьих,, можно использовать вызов конечных программ ЭВКЛЦД.
Использование двух последних возможндстей требует компиляции,
а также перевода элементов языка ЭВКЛИД. Рис. 8.5. дает пред-
ставление об этих режимах работы.
1«Ы«
<d«s menu« «1 eerier
<Je loncUcns
Inter actlf nfM л
ki»lrucUo<» EUCLID
EUCLID ~r
[Iraltemenl par lolsl
compitaleur Interpreted*
algorithme« EUCLID
тэФЯе <f« Ьвм EUCLID "3.
- MJ.SmfWb
- Cull*
- rnoduir de fraKBQe kola
- in4rrf»c« Fortran
- module gr*i»brqu« Jq
4<Mk»n <f»> donnee« .
geornitriovts ri
rejw#»entatlon
grephfcjue
CL-DAIA
programme CN
|:ig S.A Tei hinijiKv Je uuv.iil ei irnrJuks de ршранютл Ju de CI AO l-.UCl ID 12|
Рис. 8.5. Методы работы и программные модули системы ЭВКЛИД [2]
1- интерактивная работа с таблицейJменю и функциональной клавиа-
турой; 2- интерактивная работа с инструкцией ЭВКЛВД; 3- програм-
мы ЭВКЛИД (обработка блоками); 4- анализ ввода; 5- компилятор;
6- переводчик; 7- базовый модуль ЭиКПИД; 8- модуль 3-мерного
фрезерования; 9- интерфейс ФОГТРАЛ; 10- графический модуль; 11-
редактирование геометрических данных; 12- графическое представ-
ление .
к,
8.2.2. Язык САД-САМ ЭВКЛИД
Язык ЭВКЛИД состоит из четырех базовых элементов. Выделяют
инструкции, операции, подпрограммы и функции. Инструкции про-
граммы определяют порядок процесса расчета.
Инструкции в системе ЭВКЛИД подразделяются на арифметические
инструкции, командные’ инструкции, инструкции ввода и вывода и
инструкции подпрограммы. Для подпрограмм речь идет о блоках про-
граммы, которые можно вызвать из различных мест программы или из
различных программ.
кроме использования приказов система ЭВКЛВД включает возмож-
ность обработки данных с помощью математических операторов. Это
позволяет выполнить все обычные алгебраические операции [2].
"Ч- SUtbctS OCCOKJeWrt*
«кииЬе» p1»oe« *t . coiFbme ’
ФоИ*. C«f cl* concefjJKHi nOTTUfel J- pcwil d'vi№s<ct*<Mi
powrt, vecltur at COCMAXWXfr* Л sc ли* e Д vtcieur
Рис. 8.6. Геометрические функции системы САД-САГ-! ЭВКЛИД
1- сложность; 2- точка, вектор, система координат, скаляр, век-
тор; 3- прямая, плоскость, круг, геометрическая концепция, нор-
маль, касательная, точка пересечения; 4- плоские и 3-мерные кри-
вые, касательная, кривизна; 5- плоские и 3-мерные поверхности,
кривые сечения, поверхности сопряжения.
В качестве языка, используемого системой СВД-САМ, система
ЭВКПЦД предоставляет различные функции для поддержки геометриче-
ской концепции. В этом приложении геометрические функции заслу-
живают особого внимания (рис. 8.6). Они позволяют системе ЭВКЛИД
конструировать, кроме числовых расчетов, элементарные геометри-
ческие элементы, такие, как точки, сегменты кругов и поверхно-
сти, .и комбинировать их в сложные летали.
8.2.3. Алгоритмы обработки
Для создания данных числового управления в формате CL-DATA
(перемещение инструмента) в системе ЭВКЛИД нужно определить про-
грамму детали. Эта программа подразделяется на несколько облас-
тей . Наиболее"важная часть программы детали включает ввод техно-
логических данных, определение типа инструмента и инструкции,
необходимые для генерирования траектории фрезерования (рис.
8.7).
Для представления технологических данных системе нужно дать
указания по выбранной подаче и частоте вращения шпинделя, а так-
же по размерным допускам и необходимому качеству поверхности.
Задание инструмента включает описание типа инструмента с размер-
ными допусками и необходимому качеству поверхности.
Задание инструмента включает описание^типа инструмента с ра-
диусами фрезерования, минимальным и максимальным углами конусно-
сти, а. также базовую длину инструмента. Система САД-САМ предос-
тавляет пользователю все существующие типы инструмента, поэтому
сразу можно видеть, какие сферические или цилиндрические фрезы
необходимы для определенного применения (2]. Кроме различных ко-
манд, необходимых для описания общих условий фрезерования, сис-
тема СДЦ-САМ ЭВКЛИД предоставляет четыре различных модуля фрезе-
рования для генерирования траектории фрезерования:
- Planmill: (фрезерование плоской поверхности) фрезерование па-
раллельными резами плоской поверхности, края которой опреде-
лены в виде отрезков кривых со значениями х, у, г.
- Surfmill: фрезерование параллельными резами произвольной по-
верхности, зона фрезерования которой определена описанием
краев по координатам u, v.
- Linemill: фрезерование вдоль кривой и и вдоль кривой v произ-
вольной поверхности; кривая фрезерования задана линейной свя-
зью между точками u, v.
- Vecmill: фрезерование от точки к точке; каждая точка должна
быть определена в системе координат х, у, z ; часто использу-
ется для подвода и отвода.
Рис. 8.7. Техническое конструирование пр г модуля САД
1- программа САД; 2- геометрия детали; 3- программа САМ; 4- про-
верка синтаксиса; 5- расчет траектории фрезерования -осевой до-
пуск - радиальный допуск; . 6- модули фрезерования -surfini 11 -
lineroi.il - planemill - vecmill; 7- технологические параметры /
тип инструмента; 8- перемещение инструмента.
Использование команд surfmill или planemill требует информа-
ции о краях поверхности в координатах u, v или х, у, z. Это по-
зволяет компьютеру генерировать траектории фрезерования в форме
прямых на поверхности детали. Из четырех j |редставленных команд
инструкция Ixnemill является модулем фрезерования, наиболее
адаптированным к этой обработке для реализации траекторий инст-
румента; она является единственной, которую вызвали в модуле
программы.
8.3. Система САД-САМ для 2,5-мерных деталей
8.3.1. Фрезерование контура и карманов представляет обработку,
наиболее свойственную для 2,5-мерных деталей. Геометрия контура
детали состоит из базовых элементов - прямых, окружностей и сег-
ментов кривых, а карманы представлены стандартными формами - ок-
ружностями, квадратами и треугольниками. Типовые 2,5-мерные де-
тали являются монолитными деталями чаще всего с толщиной ребер и
полотна,менее 2 мм. Рис. 8.8 представляет требования к техниче-
ской реализации программы.
rMxlbttlU 2
eompsilbw 3
degtf би cental uttisaicui ,
catciX* гЫп1ямп
pfogrammMkin minimum
I Ij'. X X . S|K\illCJll4iils VII UMlierC \k
«ClitV*!l41 КЧ1М1|фК* «III JXI»f4jnlllK‘
Рис. 8.8. Требования к технической реализации программы
1- . критерии технической реализации программы; 2- высокая гиб-
кость; 3- совместимость системы; 4.- высокая степень комфорта
пользователя; 5- минимальное количество расчетов; 6- минимальный
объем программирования.
Гибкость модуля программы представляет существенный аспект
при описан; i различных геометрических особенностей деталей. Кро-
ме многочисленных геометрических фор-'!, включающих тонкие стенки,
контуры и карманы различной формы, присущих монолитным деталям,
необходимо оперировать различными размерами деталей, используе-
мыми инструментами, параметрами снятия стружки с учетом оптими-
зации объемов снимаемого материала.
Совместимость модуля программы с базовой системой САД-САМ
ЭВКЛИД является важным моментом. Программы должны опираться на
существующую систему САД-САМ и должны быть адаптированы к суще-
ствующим особенностям системы. Для достижения этой цели при раз-
работке программы использован язык программирования ЭВКЛИД.
? «. о
8.3.2. Непрерывное фрезерование.
; О - . ।
Чтобы удовлетворять требованиям точности формы, размеров и
состояния поверхности траектория не должна иметь никаких острых
углов, т.е. она должна осуществляться непрерывно с минимумом ос-
тановов и изменений направления. Инструмент погружается в деталь
по направлению Z непрерывно вдоль контура детали.
Скорость подачи уменьшается с увеличением глубины с тем, что-
бы уменьшить силы, воздействующие на тонкие стенки, которые все
больше подвержены вибрациям с увеличением их высоты. Непрерывное
фрезерование также позволяет получить, кроме уменьшения времени
обработки, более выгодные параметры нагрузки на станок, термиче-
ского влияния и времени цикла управления.
Программный модуль HSCMILL определяет траекторию инструмента
в соответствии с; прогрессивной стратегией резания, . что позволяет
инструменту,погружаться в деталь не перпендикулярно, а под неко-
торым углом. При непрерывном фрезеровании часть программного мо-
дуля интегрирована в модуль фрезерования системы САД-САМ. Воз-
можность косвенного использования параметров u, v и простота оп-
ределения подачи инструмента гарантируют лучшее использование
программного модуля с непрерывной траекторией по сравнению с
программным модулем, используемым при обычном фрезеровании.
Рентабельность использова^я модуля фрезерования 2,5-HSCMILL
зависит от геометрии обрабатываемой детали, используемых инстру-
ментов, а также от отношения между основным и вспомогательным
временем. Например, в зависимости от значения частоты вращения
главного шпинделя получается время замены инструмента примерно
20 секунд.
? Поэтому, с точки зрения рентабельности, нужно решить, обраба-
тывать ли деталь инструментом меньшего диаметра до окончательно-
го контура или же ее надо обрабатывать на первой операции инст-
рументом большего диаметра с, более высокой производительность*;
по объему снимаемой стружки до определенного размера, а затем не
второй операции инструментом меньшего размера до окончательногс
контура. Высшим критерием всегда является полное использование!
мощности привода высокоскоростного станка.
Для 'того, чтобы удовлетворить многочисленньв^ требованиям при
обработке монолитных 2, 5-мерных деталей, были разработаны и реа-
лизованы. в технике программирования различные концепции страте-
гии непрерывно!1© фрезерования (рис. 8.9).
strategic de Traisagc j
taracldnsti<iucs £
movement du nuidriau dans ic
milieu de la pitce avec un out'd
plus grand, angles finis avec un
ou til plus petit -2
сотлк dans la strangle 1, I
mais contour final vsint avec un
outil plus petit
usinage du contour de Icxtdrieur
vcr i'intdrieur
5
Fig. Я.9; Gwivcpu viuni} lj rcjliMiwwi de la tuatlgic <k friuagc conimti
Рис. 8.9. Концепции, направленные на реализацию стратегии непре-
рывного фрезерования
1- стратегия фрезерования; 2- характеристики; 3- удаление мате-
риала в середине детали инструментом большого диаметра, затем
обработка углов инструментом меньшего диаметра; 4- также, как в
стратегии 1, но окончательный контор обрабатывается инструментом
меньшего диаметра; 5- обработка контура снаружи внутрь.
8.3.2.1. Непрерывное фрезерование с доработкой угловых зон
(стратегия 1)
Деталь обрабатывается по единой траектории фрезерования, по-
зволяющей инструменту перемещаться в соответствии с циклами тра-
ектории фрезерования в форме спирали вдоль контура обрабатывае-
мого кармана. Глубина спирали в направлении Z определена техно-
логическими условиями. Обычно материал еще остается в углах кар-
мана по причине большого диаметра инструмента; он должен уда-
ляться инструментом меньшего диаметра.
Программный модуль рассчитывает объем- материала, оставшегося
после первой операции, и определяет траекторию фрезерования для
второй операции инструментом меньшего диаметра. При этой концеп-
ции к угловым зонам, оставшимся дня последующей обработки, при-
меняются две стратегии (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Стратегии обработки угловых зон
1- обработка одного угла; 2- обработка двух углов
wiliwcs р»чм I* rvpiise
de*. suiHr* -J ungk
При первой стратегии обработка углов осуществляется в форме
одной треугольной траектории непрерывного фрезерования с циклом
фрезерования для одного угла. Эта процедура применяется для дос-
таточно больших деталей, в которых угловые зоны значительно уда-
лены друг от друга.
При второй стратегии фрезерования обрабатывают одновременно
несколько, чаще две угловых зоны. Траектория фрезерования прямо-
угольная. Эта процедура применяется для небольших деталей с
близко расположенными угловыми зонами. В таи и в другом случае
подача в вертикальном направлении на каждый цикл осуществляется
на стороне, где инструмент находится в воздухе и не снимает ма-
териала . Это объясняется малой осевой нагрузкой на главный шпин-
дель станка, для которого силу осевого сдвига нужно поддерживать
на возможно более низком уровне.
8.3.2.2. Непрерывное фрезерование с финишной обработкой элемента
(стратегия 2)
Вторая концепция отличается от первой двумя моментами. С од-
ной стороны, после первого прохода контур в середине кармана еще
не соответствует конечному размеру; с другой стороны, после пер-
вого прохода материала еще остается по всему контуру детали. При
последующих проходах инструмент меньшего диаметра удаляет остав-
шийся материал по всему контуру детали. Эта стратегия применяет-
ся для деталей с относительно сложными контурами, у которых
большая часть окончательного контура не может быть обработана
непосредственно за один проход инструментом большого диаметра. В :
случае применения стратегии 1 необходим расчет траекторий фрезе-
рования для частей контура детали. Время обработки, естественно,
увеличивается.
8.3.2.3. Непрерывное фрезерование крупных деталей
Эта стратегия разработана для приложений, где размеры обраба-
тываемых карманов больше диаметра инструмента. Следовательно,
эти карманы не должны обрабатываться одним циклом фрезерования
вдоль контура кармана. Напротив, фреза должна осуществлять не-
прерывное спиральное перемещение от внешнего контура до внутрен-
него контура кармана. После того, как инструмент окажется в се-
редине кармана, он возвращается в исходную точку и начинает фре-
зерование следующего более глубокого слоя. Это позволяет осуще-
ствить равномерную подачу вдоль траектории фрезерования. Если
данная глубина достигнута, описанное непрерывное фрезерование
повторяется. Процесс повторяется до тех пор, пока деталь не бу-
дет обработана на всю глубину.
I Л . ।
8.3.3. Организация файлов инструмента и подачи
Файл инструмента TOCL.EUC вызывается командой source TOOL
внутри программы фрезерования. Затем инструкции по всем заданным
Фрезерным инструментам считываются в программу фрезерования
ЭВКЛИД. С этого момента можно выбирать оптимальные инструменты
для последующего генерирования программы ЧПУ. Рис. 8.11 показы-
вает связи между программами геометрии, фрезерования и файлами
инструмента и подачи.
Рис. 8.11. Взаимодействие между технологическим файлом и систе-
мой ЭВКЛИД
1- элементы геометрии в представлении параметров; 2- геометриче-
ский файл; 3- преобразование координат х, у, z в координаты и,
v; 4- определение траекторий непрерывного фрезерования по коор-
динатам u, v; 5- файл подачи; 6- файл инструмента; 7- передача
данных u, v модулю фрезерования LTNEMILL.
1 Кроме выбора инструмента программа предоставляет еще дополни-
тельный файл для поддержки фрезерования монолитных деталей. Он
включает эмпирические значения для оптимальной глубины резания,
относящиеся к технологии монолитных деталей, склонных к вибраци-
ям. Элементарная форма файла’ включает подачу на глубину в зави-
симости от глубины прохода.
Инструкции включают параметры, составленные их нескольких нар
значений и данных для подачи на глубину в форме файла. Файл, со-
держащий параметры подачи, может быть изменен в любой момент для
того, чтобы подача на глубину учитывала конкретные требования
изготовления.
8.3.4. Стандартные элементы для облегчения программирования
Язык программирования ЭВКЛИД позволяет определить заранее
стандартные элементы, часто используемые при обработке 2,5-
мерных деталей. Геометрия стандартных элементов включает такие
формы как треугольники, прямоугольники и цилиндры. Программиро-
вание вариантов позволяет получить геометрию карманов различной
Рис.' 8.12. Взаимодействие между стандартными элементами и систе-
мой ЭВКЛИД
1- система САД-САМ; 2- перевод программ и хранение в библиотеке
подпрограмм; 3- стандартные элементы; 4- привязка глубины, век-
тора перемещения и угла вокруг оси Z; 5- ввод подпрограмм в ос-
новные программы; 6- размещение стандартных элементов; 7- считы-
вание данных инструментов и передача геометрии в программу фре-
зерования; 8- файл инструмента; 9- файл подачи; 10- траектория
непрерывного фрезерования.
г. •
По сравнению со стандартньми элементами, созданными в систе-
мах САД, они включают не только геометрические данные, но также
и параметры фрезерования, необходимые для обработки карманов.
Как только контур детали вычерчен, можно выбрать соответствующий
карман в библиотеке элементов и установить его в необходимое по-
ложение. Ввод параметров фрезерования (инструмент, глубина про-
хода, исходная точка и конечная точка подачи) определяет траек-
торию непрерывного фрезерования. 1
Блоки программ могут быть вызваны из нескольких мест програм-
мы , а также из различных программ. Для геометрического опреде-
ления деталей и их фрезерования в целом вызываются 13 стандарт-
ных элементов; они хранятся в библиотеке подпрограмм. Кроме то-
го, существует программа перевода подпрограмм и их хранения в
библиотеке подпрограмм. Еще одна программа позволяет осуществить
вход в библиотеку подпрограмм ЭВКЛИД. На рис. 8.12 представлена
связь этих программ с библиотекой подпрограмм.
8.3.5. Сравнение между стратегиями высокоскоростного, обычного и
не11рерывного фрезерования
. На примере множества монолитных деталей, существующих на
практике, мы провели анализ рентабельности’новой стратегии фре-
верования по критериям времени и качества обработки в сравнении
со стратегией обычного фрезерования (см. параграф 8.1.8). По-
скольку величина радиусов находится в пределах от 2 до 10 мм,
необходимость замены инструмента при обработке существует прак-
тически для всех деталей. Геометрия деталей представляет карманы
различной формы, например, треугольной, прямоугольной, цилиндри-
ческой или произвольной.
Обработка карманов различных размеров требует различных кон-
цепций, для которых необходимо выбрать соответствуют!,'» страте-
гию. Критериями выбора являются минимальное основное время, мак-
симальный объем снятой стружки, оптимальное качество обработки.
Мы подразумеваем под простыми деталями такие, которые имеют
карманы, состоящие из стандартных элементов. Радиусы-у. дна кар-
манов имеют величину от 2 до 6 мм, а радиусы внешнего контура -
примерно 16 мм. При ребрах толщиной от 1,6 до 2,5 мм и высотой
до 30 мм эти монолитные детали имеют элементы, исключительно
склонные к вибрациям.
Детали средней геометрической сложности имеют большое число
карманов, разграниченных тонкими стенками. Внешний контур форми-
руется наиболее часто контуром, а карманы, расположенные на кра-
ях, часто открыты с одной стороны.
Под сложными деталями мы подразумеваем детали с большим чис-
лом карманов произвольного контура с очень тонкими стенками. Вы-
сокоскоростное фрезерование позволяет обычно снизить время обра-
ботки 'на -25%. Сравнение между стратегией обычного фрезерования и
новой стратегией непрерывного фрезерования показывает, возможно
ли дополнительное снижение времени обработки.
Кроме того, количество инструкций ЧПУ, необходимых для обра-
ботки, является важным для оценки совершенства новой стратегии
фрезерования. При некоторой скорости внутренних расчетов ЧПУ бо-
лее короткие инструкции ЧПУ позволяют осуществить расчеты быст-
рее и реализовать более высокие скорости подачи.
В случае программирования с помощью- расчетного блока время
работы центрального блока CPU, необходимое для разработки про-
граммы ЧПУ, определяет в первую очередь стоимость программирова-
ния. Поэтому с точки зрения рентабельности необходимо также
стремиться к наиболее коротким программам ЧПУ.
Другим Важньм критерием сравнения является объем памяти, не-
обходимый для хранения программ ЧПУ. Даже для систем DNC жела-
тельно, чтобы объемы терминала DNC были наибольшими с тем, чтобы
ограничить время загрузки программ хранением на месте.
।
I / на
Рис. 8.13. Сравнение между высокоскоростным фрезерованием и
стратегией обычного и непрерывного фрезерования
1- количество инструкций ЧПУ; 2- время обработки; 3- обычная
стратегия; 4- непрерывная стратегия; 5- номер элемента.
• *Л
‘ *
I
Рис. 8.14. Сравнение между высокоскоростным фрезерованием и
стратегией обычного и непрерывного фрезерования
1- количество инструкций ЧПУ; 2- время обработки; 3- обычная
стратегия; 4- непрерывная стратегия; 5- номер элемента.
9. Рентабельность
9.3.3. Высокоскоростное фрезерование легких сплавов
Для достижения области высокоскоростного фрезерования необхо-
димо иметь относительно высокие скорости резания и подачи. Они
достигаются только на «настоящих» высокоскоростных станках. В
настоящее время пределы обычных станков ограничены максимальный
режимом главного шпинделя, пределы модернизированных станков ог-
раничены главным образом максимальной скоростью подачи и динами-
кой системы управления и приводов.
Рис. 9.11, например, показывает, что скорость резания 5000
м/мин с фрезой диаметром 40 мм может быть наиболее экономично
достигнута только на высокоскоростном станке. Применение обычно-
го станка ограничено максимальным режимом главного шпинделя (Vc
шах =630 м/мин), а применение модернизированного ставка - макси-
мальной скоростью подачи (этот станок может обеспечить скорость
резания Vcnox = 1050 м/мин) .
Рис. 9.11. Сравнение себестоимости фрезерования легких сплавов
на высоких скоростях
1- скорость резания, м/мин; 2- себестоимость обработки, ДМ/см3;
3- пределы применения; 4- попутное фрезерование всухую; 5- обыч-
ный станок; 6- модернизированный станок; 7- высокоскоростной
станок.
Несмотря на меньшую стоимость рабочего места в среднем можно
сказать, что общая себестоимость обработки на обычном станке в
2,5...3 раза выше, чем на высокоскоростном станке, и в 2...2,5 раза
выше, чем на модернизированном станке.
Эти соотношения возрастают при уменьшении диаметров инстру-
мента. Поэтому инвестирование в высокоскоростной станок оказыва-
ется эффективным для фрезерования легких сплавов, многих цветных
сплавов и армированных композитов. Для более твердых материалов
(сталь, чугун) можно снизить общую себестоимость изготовления
путем модернизации обычных станков.
Перевел Залашиков 10. И.