High Speed Machining (HSM) to ważna technologia szeroko stosowana w nowoczesnej technologii frezowania. Dzięki zastosowaniu technologii frezowania HSM możliwe jest nie tylko frezowanie różnych miękkich i twardych materiałów, ale także osiągnięcie doskonałej precyzji przedmiotu obrabianego. W tym artykule opisano wymagania HSM dotyczące narzędzi i uchwytów.
1. Wymagania HSM dla narzędzi skrawających
1. Geometria
Drgania narzędzi wpływają bezpośrednio na jakość powierzchni uzyskiwaną w wyniku obróbki skrawaniem. Dlatego niezwykle ważne jest utrzymanie równomiernej siły skrawania działającej na narzędzie podczas obróbki wykańczającej HSM, aby uniknąć wibracji narzędzia.
Wpływ sąsiadujących cech geometrycznych narzędzia na siłę skrawania:
• Dobra koncentryczność ułatwia równomierne rozłożenie obciążenia na krawędzi skrawającej
• Większe zachodzenie na siebie krawędzi skrawających zapewnia równomierną charakterystykę siły skrawania (większy kąt pochylenia linii śrubowej i liczba rowków wiórowych)
• Krótka długość cięcia dla lepszej sztywności (średnica wału jest nieco mniejsza w porównaniu do stromych ścianek maszyny)
• Najlepszy stan przekroju poprzecznego rdzenia przy minimalnej koncentracji naprężeń w karbie
Za pomocą HSM można obrabiać materiały o wysokiej wytrzymałości, co oznacza, że odporność na odkształcenia wzrasta wraz z twardością obrabianego materiału. Zwiększone obciążenie krawędzi skrawającej wymaga stabilnego zaprojektowania geometrii krawędzi skrawającej. Jednak przy dużej prędkości skrawania w wolnym obszarze powierzchni przedmiotu obrabianego będzie wytwarzane więcej ciepła tarcia, co oznacza, że należy zmniejszyć kąt przyłożenia narzędzia. Dlatego zwiększenie stabilności krawędzi skrawającej można osiągnąć jedynie poprzez zmniejszenie kąta ukosu. W przypadkach, gdy materiał jest bardzo twardy, a materiał narzędzia jest kruchy, może to nawet skutkować ujemnym kątem ukosu.
Precyzyjnie dopasowane promienie są szlifowane na czubku ostrza, aby uniknąć gorących warunków lub częściowego złamania krawędzi po nagłym nagrzaniu.
Jeśli wymagana jest bardzo wysoka dokładność kształtu przedmiotu obrabianego, promień kulistego narzędzia wykańczającego ma bezpośredni wpływ na dokładność kształtu obrabianego przedmiotu. Dlatego jako podstawowy warunek bardzo ważne jest stosowanie narzędzi o bardzo wąskich tolerancjach promienia (w zakresie mikronów) podczas wykańczania bardzo delikatnych części.
2. Materiały i powłoki
Materiał narzędzia musi być twardszy niż materiał obrabiany. Im większa różnica twardości między materiałem przedmiotu obrabianego a materiałem narzędzia, tym mniejsze zużycie narzędzia i dłuższa żywotność narzędzia. Ze względu na lokalne wysokie temperatury konieczne jest również zapewnienie odporności materiału narzędzia na utlenianie.
Duże wahania obciążenia termicznego i potrzeba odporności na utlenianie materiału narzędzia prowadzą do ostatecznego zapotrzebowania na powłoki na korpusach narzędzi z drobnoziarnistego węglika wolframu.
Wypróbowane i przetestowane systemy powłok, takie jak TiN, TiCN i TiAlCN, szybko osiągają swoje granice w obróbce HSM. Dlatego opracowano wieloskładnikowe systemy powłokowe, oparte na azotkach o wysokiej zawartości glinu, w połączeniu z innymi pierwiastkami, takimi jak itr, wanad czy tantal. Wyższą wydajność można również osiągnąć przy użyciu struktur nanowarstwowych, CBN i PKD.
2. Wymagania HSM dotyczące oprawek narzędziowych
Ze względu na wysokie prędkości obrotowe wrzecion wymagane w obróbce HSM, najlepiej stosować systemy oprawek narzędziowych HSK-A i HSK-E. Ponieważ kołnierz uchwytu narzędziowego jest zamontowany na głowicy wrzeciona, uchwyt narzędziowy ma określone podparcie mechaniczne w kierunku Z, dzięki czemu przy wyższych prędkościach nie jest wciągany do wrzeciona z powodu zwiększonych sił odśrodkowych.
Podstawowe błędy mogły już wystąpić w fazie przygotowania procesu, uniemożliwiając mniejsze wibracje i bezpieczną kontrolę procesu. Aby osiągnąć stabilną obróbkę HSM, konieczne jest wyważenie i sprawdzenie wyrównania narzędzia i zespołu uchwytu narzędziowego zgodnie z wymaganiami. Należy również wziąć pod uwagę ograniczenie prędkości obrotowej związane z niewyważoną masą.
Źle wyważony lub źle ustawiony system narzędzi obrotowych spowoduje:
• bardzo słaba jakość powierzchni
• bardzo mała trwałość narzędzia
• Słaba stabilność i bezpieczeństwo procesu
• Możliwe uszkodzenie wrzeciona frezarki
Niewyważenie i odchylenie od idealnej koncentryczności spowodowane nagłymi zmianami w procesie można bardzo wyraźnie zobaczyć na poniższym schemacie:
Brak odchyleń w porównaniu z idealną koncentrycznością: mniejsza teoretyczna chropowatość
Odchylenie od idealnej koncentryczności: większa chropowatość teoretyczna
Masa wyważająca ma istotny wpływ na zachowanie dynamiczne całego układu wirującego.
Brak równowagi jest równoważny z obracaniem się mimośrodowego obiektu. To mimośrodowe ciało może wywoływać siłę odśrodkową, która zwiększa się kwadratowo wraz z prędkością obrotową. Oznacza to, że ten sam brak równowagi wywołuje 441 razy większą siłę odśrodkową na wrzecionie przy 42 000 obr./min niż na wrzecionie przy 2 000 obr./min (212=441). Dlatego niewyważenie układu uchwytu narzędziowego w obróbce z wysokimi prędkościami ma szczególnie wyraźne negatywne konsekwencje.
Stosując technologię mocowania narzędzi w HSM, można używać uchwytów narzędziowych z:
• tuleje zaciskowe i
• Reduktory
Alternatywne systemy, takie jak złącza Weldon, nie są zalecane, ponieważ mają istotne wady w obróbce HSM.
Dzięki dobrym właściwościom tłumiącym oprawek tulejkowych, które dają dobre wyniki podczas obróbki zgrubnej, wraz z przegubami redukcyjnymi można osiągnąć bardzo wysoki stopień sztywności i powtarzalności. Jest to niezbędne do uzyskania idealnej powierzchni przedmiotu obrabianego. Zastosowanie reduktorów pozwala na uzyskanie bardzo precyzyjnej koncentryczności (odchyłka poniżej 0,003 mm) oraz wysokiego momentu przeniesienia.
Struktura konstrukcyjna różnych oprawek redukcyjnych: moment obrotowy przekładni zależy od konstrukcji konstrukcyjnej sprzętu mocującego; różne konstrukcje projektowe, mogą być bardzo różne.
