Третья международная конференция по высокоскоростной механической обработке

В. А. Потапов

27 – 29 июня 2001 г. в г. Метц (Франция) состоялась очередная 3-я международная конференция по одной из самых актуальных тем в современной технологии машиностроения - высокоскоростной обработке (ВСО). Она была организована совместно французской Национальной инженерной школой ( ENIM ) г. Метц (Франция), университетом г. Метц и Техническим университетом г. Дармштадт (Германия). В этих конференциях, проходящих каждые 2 года попеременно в Метце и Дармштадте и уже получивших мировую известность, участвуют крупнейшие ученые и многие известные фирмы. В данной конференции принимало участие около 250 ученых и специалистов из 20 стран, в том числе из России. Было прочитано 80 докладов и представлено 60 стендовых сообщений по механике и моделированию процессов резания и механической обработки, высокоскоростному фрезерованию, точению, сверлению и шлифованию, точению закаленных сталей, по системам ЧПУ и CAD / CAM , вибрациям, возникающим в процессе обработки, их исследованию и предотвращению, мониторингу процесса резания и адаптивному управлению станками. Рассматривались новейшие режущие инструменты и их покрытия, моделирование процессов износа, резание, в том числе шлифование, без СОЖ и с ее минимальным использованием, шпиндельные узлы и их опоры, линейные приводы станков.

Значение высокоскоростной обработки и в особенности высокоскоростного фрезерования значительно возросло с появлением новых конструкций  станков и инструментов, позволяющих снимать большой объем материала, что приводит к снижению времени обработки при одновременном повышении качества поверхности готовых деталей. В статье G. Warnecke , et al. «Динамика высокоскоростной обработки» отмечается, что скорости резания при высокоскоростной обработке в 2 - 3 раза превышают скорости резания при обычной. В связи с ускорением времени контакта между режущими кромками инструмента и заготовкой поведение ее материала при высокой степени деформации, высокой температуре этого материала и инструмента до конца пока неясно и не может быть точно описано обычными законами металловедения. При обычных скоростях резания с их увеличением сила резания уменьшается, а при очень высоких, благодаря силам инерции, увеличивается. Измерение этих сил затруднено вследствие ограничений, налагаемых измерительной системой. Чтобы обеспечить воспроизводимость измерений фактически действующих сил резания, например, при фрезеровании эта система должна обладать очень высокой жесткостью и иметь датчик с достаточно высокими резонансными частотами. Для увеличения диапазона скоростей, при которых могут быть измерены силы резания, можно использовать алгоритмы расчета сигнала, на который не оказывают влияния системы.

Измерение усилий резания неразрывно связано с измерением температуры резания, в частности, температуры поверхности стружки. Наиболее эффективно в настоящее время проведение такого измерения с помощью оптоволоконного двухцветного пирометра. Схема такого измерения приведена в статье F. Klocke , et al. «Использование МКЭ для моделирования процесса высокоскоростного резания и его экспериментальной проверки» и показана на рис. 1.

В твердосплавной пластине резца, предназначенного для высокоскоростного точения алюминиевого сплава, было просверлено отверстие, в которой введен световод и установлен на расстоянии 0,4 мм от главной режущей кромки и на расстоянии 1 мм от вспомогательной. Такое минимальное расстояние между световодом и поверхностью сходящей с резца стружки позволяет точно измерить ее температуру при минимальном диаметре измеряемого светового пятна. Функция световода – реагировать на излучение в контактной зоне или вблизи ее. Его положение можно регулировать углом наклона просверливаемого отверстия. Для сравнения экспериментальных и моделируемых результатов была выбрана скорость резания 3000 м/мин, подача 0,25 мм/об и глубина резания 2 мм. При таких режимах на передней поверхности резца наблюдается значительная адгезия. Эта адгезия происходит в зоне отверстия для световода. Этим обеспечивается возможность измерения пирометром температуры непосредственно стружки или, по меньшей мере, температуры тонкой алюминиевой пленки на передней поверхности. Полученные температуры стружки показаны на рис. 2, причем они жестко зависят от скорости резания. Было обнаружено, что максимальное увеличение температур происходит, главным образом, в области обычных скоростей резания (до 1000 м/мин). Их дальнейшее увеличение приводит к непропорциональному увеличению температуры стружки. При очень высоких скоростях резания температуры стружки достигают температур плавления материала заготовки.

В статье Marty A. et al. «Учет вибрации заготовок при числовом моделировании высокоскоростной обработки» рассматривается задача создания модели, использующей все существующие физические и эмпирические сведения о системе «заготовка - инструмент - станок» и на основании этого позволяющей прогнозировать такие результаты обработки как окончательное качество поверхности (круглость, шероховатость и другие геометрические параметры) и виброхарактеристики системы «заготовка - инструмент - станок».

С этой целью для заготовки, станка и инструмента были созданы динамические модели, которые могут быть любого типа, но должны описывать реальное физическое поведение указанных компонентов, и геометрическая модель заготовки, позволяющая в любой момент быть в курсе относительно ее граничной поверхности, причем степень ее вибродеформация выводится из динамической модели. И, наконец, была получена модель взаимодействия инструмента с заготовкой (т.е. процесса резания), учитывающая силу резания в любой момент времени. При таком подходе рассмотрение процесса съема материала значительно упрощается, исключаются его механические детали. Основное допущение базируется на использовании концепции так называемого исчезающего инструмента, приводящей к расчету пересечения двух объемов: объема заготовки и объема стружки, получаемого при воздействии на нее передней поверхности инструмента, в результате чего приходят к объемной модели, учитывающей вибродеформацию заготовки.

Практической борьбе с высокочастотными вибрациями при тонкой расточке посвящена статья E. Edhi et al. «Механизм возникновения высокочастотной вибрации при тонком растачивании и ее предотвращение». Было обнаружено, что у расточной оправки с отношением длины к диаметру менее 1,5 при тонком растачивании сквозного отверстия диаметром 15 мм возникают вибрации с частотой свыше 10000 Гц. В результате анализа механизма возникновения и развития таких вибраций был разработан фрикционный демпфер простой конструкции, особенность которого состоит в том, что демпфирующая масса прикреплена постоянным магнитом к расточной оправке некруглого сечения (рис. 3). В торце этой оправки высверлено отверстие под демпфер диаметром 5 мм. Положение этого отверстия выбирают в направлении « om ₁», поскольку вибрация вследствие образования петлевого контура по осям X , Y происходит преимущественно в направлении « om ₂». При вращении инструмента демпфер прижимается к стенке отверстия центробежной силой, но может перемещаться в направлении вибраций «om₂». От попадания стружки при растачивании демпфер закрыт крышкой.

В статье H. Niemann , et al. «Роль параметров резания и покрытий инструментов при высокоскоростном фрезеровании титановых сплавов концевыми сферическими фрезами» отмечается, что в настоящее время свыше половины используемых в промышленности титановых сплавов - это α- β- сплавы Ti -6 Al -4 V. По ряду  известных причин они с трудом поддаются механической обработке, в том числе твердосплавными инструментами -- как цельными, так и составными. У режущих кромок этих инструментов следует минимизировать абразивное истирание/деформацию. Они должны иметь возможность сопротивления механизмам износа, обусловливающих диффузию/растворение, а также быть достаточно вязкими, чтобы противостоять скалыванию/растрескиванию режущих кромок. Поскольку такими свойствами ни один инструмент в комплексе не обладает, то одним из наиболее эффективных решений является нанесение на твердосплавные инструменты различных покрытий (табл. 1). Следует отметить, что с покрытиями в настоящее время выпускают примерно 75 % твердосплавных инструментов.

Таблица 1

При этом, как указано в статье J. Wijngaard «Использование PVD - покрытий при высокоскоростной обработке», большинство этих покрытий являются PVD - покрытиями, в частности TiN , TiCN , TiAlN и CrN , с толщиной 1 – 5 мкм (1 - 10 мкм у CrN ). По мере повышения температуры резания они значительно меньше теряют в твердости, чем PVD - покрытия (табл. 2)

Таблица 2

В то же время результаты ряда исследований позволяют утверждать, что твердосплавные инструменты с покрытиями по сравнению с инструментами без покрытий не обладают очевидными преимуществами как при точении титановых сплавов, так и при их фрезеровании. При фрезеровании этих сплавов концевыми сферическими фрезами скорость резания достигает 400 м/мин, причем разрушение инструмента происходит обычно путем износа по задней поверхности при сравнительно небольшом кратерном износе. Его стойкость существенно продлевалась при охлаждении, причем охлаждение масляным туманом оказалось значительно эффективнее охлаждения поливом.

В последнее время было проведено немало исследований и экспериментов по обработке титановых сплавов поликристаллическим кубическим нитридом бора (КНБ), появившимся как режущий инструмент в 1977 г. Режимы такой обработки без охлаждения приведены в статье Z. Zoya et al. «Стабильные режимы резания при высокоскоростной обработке титановых сплавов инструментов из поликристаллического КНБ
(табл. 3).

Таблица 3

Зависимость температуры резания от его времени показана на рис. 4. Из нее очевидно, что температура резания вначале плавно растет пропорционально времени обработки. Однако затем при достижении критической температуры примерно 700 ⁰С начинается ее резкий подъем при всех скоростях резания, хотя оптимальной из всех этих скоростей является скорость резания 220 м/мин. Это указывает на термозависимость титановых сплавов от режимов обработки. Напряжение пластического течения этих сплавов в значительной степени определяется температурой резания. После 700 ⁰С вследствие насыщения кислородом и последующего снижения величины напряжения пластического течения предел их прочности снижается. Увеличивается осадка давлением титанового сплава под воздействием режущей кромки инструмента, однако и у самого инструмента при таких температурах существенно снижается твердость. Номограмма выбора режимов резания при обработке титановых сплавов поликристаллическим КНБ приведена на рис. 5.

Условия, при которых происходит сверление, не позволяют значительно увеличить его скорость, поэтому высокоскоростным считается сверление, скорость которого хотя бы вдвое превосходит скорость обычного. В статье R. Weinert , et al. «Алгоритм изменения механической нагрузки инструмента при высокоскоростном сверлении» поставлена задача определения отдельных компонентов усилий, воздействующих на спиральное сверло в процессе резания, а также характера усилия, воздействующего вдоль режущей кромки сверла. Проведенные эксперименты показали, что увеличение скорости резания (до 700 м/мин) оказывает совсем небольшое влияние на его механическую нагрузку в отличие от увеличения подачи, которое не только резко увеличивает нагрузку, но в значительной степени изменяет ее распределение. Особенно существенно нагрузка возрастает в области перемычки сверла. При этом направления векторов силы резания почти независимы от параметров резания. Эксперименты показывают также, что максимальная механическая нагрузка на сверло возникает в области между главной режущей кромкой и перемычкой, причем это происходит при увеличении как величины подачи, так и скорости резания. Знание характера распределения усилий в процессе сверления вдоль сверла позволяет определять возникающие в нем напряжения и учитывать их при разработке новых конструкций сверл.

Известно, что опоры высокоскоростных шпинделей нередко становятся лимитирующим фактором для улучшения их характеристик. Несмотря на быстрое развитие новых типов опор (магнитные, аэро- и гидростатические и пр.), подшипники качения, теперь уже гибридные (со стальными кольцами и керамическими шариками) продолжают сохранять свое лидирующее значение. Новые разработки в этой области, как отмечено в статье O. Bayer «Современные концепции шпиндельных опор», направлены прежде всего на улучшение эксплуатационных характеристик, повышение срока службы, надежности и, соответственно, на снижение стоимости опор. Взаимодействие четырех основных параметров подшипников, оказывающих наибольшее влияние на их характеристики (качество поверхности, материал, смазка и геометрия) позволяет, как показано в табл. 4, найти оптимальное сочетание этих характеристик.

Таблица 4

Из табл. 4 видно, что материал влияет на все взятые в отдельности эксплуатационные характеристики подшипника, а, следовательно, и на его характеристики в целом. Это относится и к материалу шариков, которые теперь выполняют керамическими в подшипниках не только для высокоскоростных шпинделей, но и для стандартных. Такие гибридные подшипники, обладающие значительно лучшими трибологическими характеристиками, имеют очень высокий срок службы и поэтому из расчета на 1000 ч эксплуатации незначительно дороже обычных. Однако материал стальных колец не всегда соответствует требованиям, предъявляемым керамическими шариками, и поэтому для колец ведутся разработки новых сталей, в частности, азотосодержащих. Такая сталь марки Cronidur 30 кроме 0,31 % С и 15,2 % Cr содержит 0,38 % N , 0,55 % Si и 1,02 % Mo. Азот в ней частично заменяет углерод и в сочетании с высоким содержанием хрома обеспечивает высокую коррозиеустойчивость (табл. 5).

Таблица 5

Гибридные подшипники, изготовленные из стали Cronidur 30, имели при испытаниях примерно в 10 раз больший срок службы, чем изготовленные из обычной подшипниковой стали. В частности, как показано в статье H. Voll «Высокоскоростная обработка алюминия», такие подшипники могут быть установлены на высокоскоростных электрошпинделях германской фирмы WEISS GmbH мощностью 80 кВт и с частотой вращения 40000 мин. С их помощью съем материала при обработке алюминия можно довести до 4000 см³/мин.

Другое решение в области опор для электрошпинделей высокоскоростных станков предложено в обзорной статье R. Fos , et al. «Возможности, пределы и исследования высокоскоростных стандартных шпинделей». Известно, что при доведении частот вращения шпинделей до 60 - 80 тыс. мин^-1, подшипники являются одним из важнейших ограничительных факторов. Применение любых подшипников, кроме магнитных, ограничивает в основном угловую скорость и мощность привода. Использование магнитных подшипников снимает эти ограничения, но налагает новые в отношении стоимости вследствие необходимости применения значительно более сложной электронной аппаратуры и установки ряда периферийных компонентов. В статье выполнен также синтез теоретических принципов структур магнитных опор и процессов их контроля. Показано, что магнитные опоры применимы при небольших мощностях приводов, например в насосах для перекачивания титановых сплавов поликристаллическим кубическим нитридом Р±РѕСЂР° (РљРќР‘), появившимся как режущий инструмент РІ 1977 Рі. Режимы такой обработки без охлаждения приведены РІ статье Z. Zoya et al. «Стабильные режимы резания РїСЂРё высокоскоростной обработке титановых сплавов инструментов РёР· поликристаллического РљРќР‘
(табл. 3).

Таблица 3