ВСО-высокоскоростная обработка

В понятии высокоскоростная обработка, зачастую, смешиваются два понятия — силовое резание и собственно резание на высоких скоростях. Общее у них — это качественное повышение производительности технологического процесса, но имеется много различий.

Силовое резание

Не смотря на достижения в области снижения металлоемкости (точное литье, порошковая металлургия, композитные материалы), остается ряд отраслей, где применяются труднообрабатываемые материалы, которые не поддаются другим видам обработки, кроме обработки давлением и механической обработке. Для удаления значительных припусков применяется специализированное оборудование. Общими признаками такого оборудования можно назвать: массивность и повышенная жесткость станины; мощность главного привода и привода исполнительных механизмов; снижение требований к точности из-за механизмов дополнительной фиксации. В группе токарных станков для силового резания применяются станки с наклонным расположением направляющих (горизонтальная ось вращения) и карусельные станки (вертикальная ось вращения). Наклонное расположение станин дает возможность использования силы тяжести для создания предварительно нагруженных связей, что имеет значение для работы в режиме прерывистых нагрузок и врезания.

В части инструмента для силового резания не придумано ничего кардинально нового. Для фрезерных скоростных головок разработаны схемы крепления с элементами гашения автоколебаний (демпфирование упругим звеном). Геометрия режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, остается без изысков, и в этом отношении твердосплавные неперетачиваемые пластины российского производства вне конкуренции. В первую очередь это связано с вольфрамовой основой (карбид вольфрама), во-вторых — это масса пластины, что во многом решает проблемы отвода тепла из зоны резания.

Простое повышение глубины резания и подачи имеет свои пределы, которые уже достигнуты. На увеличение скорости резания накладывает ограничение количество теплоты, которое выделяется в процессе резания в зоне отделения стружки. Попытки приложения других видов энергии для снижения сил резания — наложение ультразвуковых колебаний и нагрев срезаемого слоя индуктором или лазером, не дали ощутимых результатов, т.к. дополнительные энергии должны быть сопоставимы с энергией отделения стружки, а это значительно усложняет оборудование.

Обработка с высокими скоростями

Здесь следует различать — скорость резания и скорость вращения объекта (детали, инструмента). Бесспорно, что высокая скорость вращения является важным фактором в системе ВСО, но помня о зависимости приращения скорости резания от диаметра вращения, следует говорить о проблеме высокой скорости резания. Последние разработки высокоскоростных шпиндельных узлов (до 40000 об/мин) с применением гидродинамических опор значительно повысили производительность оборудования в таких областях, как точная механика и приборостроение.

В теории высокоскоростного резания рассматриваются два фундаментальных фактора, с которыми связаны остальные процессы:
• Энергия и условия отрыва частиц металла.
• Адгезия в зоне образования стружки.
Эти факторы проявляются наиболее ярко для конструкционных сталей на режимах скоростях резания выше 700…1000 м/мин (при диаметре 100 мм, число оборотов 2000…3000 об/мин). Режимы резания, до этих значений, рекомендованы производителями ТС инструмента, причем рекомендации относятся не только к значению скорости, но и к подаче, глубине резания и наличию СОЖ. Рекомендации выработаны на основе статистических данных о стойкости инструмента, работающего в определенных условиях. Причем стойкость инструмента должна быть обоснованной с экономической точки зрения (стоимость инструмента, затраты на обслуживание и т.п.). Поэтому высокие скорости резания имеют ограниченный круг применения — обработка цветных металлов, алюминия и его сплавов, а также при чистовых видах обработки.

Экономически оправданное применение высоких скоростей на чистовых видах обработки связано с маленьким припуском на обработку. При скоростях резания свыше 1000 м/мин процессы отрыва металла и образования стружки претерпевают качественные изменения. Происходит перераспределение температуры в месте контакта детали с режущей кромкой в сторону увеличения нагрева стружки, а высокая скорость смещения стружки относительно вершины резца (критической точки) смещает точку максимального нагрева с вершины в тело резца, что улучшает теплоотвод. Наклеп на режущей кромке, в условиях высокоскоростной обработки, приобретает устойчивую форму при обработке ТС или совсем отсутствует при обработке эльборовым (кубическая β-модификация нитрида бора) и алмазным инструментом. Хорошие показатели (технические и экономические) имеют керметы с износостойким покрытием, которые обладают высокой твердостью керамической основы и острой режущей кромкой. Чистовая высокоскоростная обработка позволяет получать поверхность с шероховатостью 0,40...0,20 Ra и точность 5…7-го квалитетов, а это, в свою очередь, позволяет исключить шлифовку в производствах связанных с обработкой химически чистых материалов (электровакуумное производство), где недопустимы инородные включения. Интересные результаты дает применение технического лазера. Импульсная обработка, кроме улучшения условий резания, приводит к упрочнению поверхности углеродистых сталей на микроуровне.

В целом, работа за пределами режимов, рекомендованных к использованию производителями инструмента и оборудования, относится больше к сфере науки, чем к области практики. Хотя перспективы, которые рисуют ученые, впечатляют. Практические работы, но в лабораторных условиях, подтверждают их теории, но для этого нужны другие источники энергии (дальнейшее увеличение скорости вращения осложняется проблемами динамической балансировки инструмента или приспособления), другие способы крепления или позиционирования, что отодвигает их практическое внедрение в будущее.