bushuev_v_v_i_dr_metallorezhushie_stanki_tom_2

УЧПУ 1. Сигнал обратной связи на УЧПУ подается от лазерного интерферометра через нормирующий преобразователь 2. Гидравлическое питание осуществляется от насоса 16, приводимого в действие двигателем 17 постоянного тока, управляемого электроприводом 18. Датчик давления 15 поддерживает его постоянное значение за счет подачи электрического сигнала на электропривод постоянного тока, изменяя частоту вращения насоса и соответственно расход жидкости. Для снижения колебания давления установлен аккумулятор 13. Отражатель светового луча (контроль положения резца) расположен в непосредственной близости к инструменту, что повышает точность. Разность температур рабочей жидкости и окружающей среды не превышает 0,2 оС, при этом дискретность перемещений составляет 80 нм. Повторяемость перемещений 20 нм. При давлении жидкости 3 МПа жесткость привода достигает 600 Н/мкм.

Направляющие. В сверхточных станках используют все известные типы направляющих, включая даже направляющие скольжения (с покрытием), однако наиболее распространены гидростатические и, особенно, аэростатические направляющие.

Гидростатические направляющие имеют жесткость 6…8 кН/мкм и обеспечивают точность перемещения 20…40 нм на 400 мм хода. Основной их недостаток — сложные системы подготовки масла. Аэростатические направляющие имеют жесткость 1…2 кН/мкм и при толщине воздушного слоя 4…8 мкм обеспечивают такую же точность перемещения, как и гидростатические.

21.5. Методы испытаний сверхточных станков

Проверка точности контурной обработки (на двухкоординатных станках) может проводиться путем обработки круглой детали и сравнения ее формы с заданной. Однако более распространен метод ощупывания круглого эталона, при этом отклонение фактической траектории от формы эталона отображается на дисплее.

Проверка точности позиционирования узлов осуществляется методом отслеживания синусоиды с малой амплитудой. Программируется перемещение узла по синусоидальному закону. Выбор амплитуды и длины волны синусоиды зависит от дискретности перемещений и типовой скорости обработки.

Испытания приводов подач включают в себя четыре этапа: 1) испытание при постоянной скорости служит для проверки равномерности перемещения узла; погрешность вычисляют по разности заданной и фактической координат положения узла; 2) при испытании реверсом узел отрабатывает синусоидальный закон движения; особый интерес представляют ошибки в точках реверсирования, где скорость меняет знак; 3) при испытании шагами (узел перемещается по 3 раза вперед и назад) определяют минимальное перемещение, которое может быть осуществлено приводом. По результатам испытания на погрешность позиционирования (в том числе при большой скорости перемещения) определяют систематические ошибки, среднюю полосу пропускания привода и гистерезис положения узла при изменении направления движения.

Г Л А В А Д В А Д Ц А Т Ь В Т О Р А Я

Станки для высокоскоростного резания

22.1. Общие сведения

При обработке материалов скорость резания является важнейшим параметром, оказывающим многообразное влияние на все физико-химические процессы и формообразование при резании. Тенденции к увеличению скорости резания обусловлены, в первую очередь, стремлением повышения производительности обработки. Высокоскоростное резание эффективно при обработке заготовок, для которых преобладают чистовые операции с малыми сечениями стружки и усилиями резания 100…200 Н. При высокоскоростном резании часто повышается гибкость процесса (например, при работе сферическими концевыми фрезами обеспечивается возможность обработки сложных поверхностей различной конфигурации).

Области использования. Известно более 200 материалов, при обработке которых используется высокоскоростное резание. Наиболее распространенными операциями являются фрезерование, сверление, точение:

•обработка деталей пресс-форм и штампов концевыми фрезами; диаметр твердосплавных фрез 2,5…40 мм;

•обработка изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов в аэрокосмической и автомобильной промышленности; применяются торцовые фрезы диаметром от 63 до 200 мм и фрезы с криволинейными поверхностями;

•сверление, в том числе фольгированных печатных плат; диаметры сверл до 25 мм, а при глубоком сверлении 45…150 мм;

•точение материалов в авиакосмической, автомобильной (тормозные диски), прокатной промышленности (валки из отбеленного чугуна). Совершенствуется чистовое точение твердых материалов как финишная операция (взамен шлифования).

Также развиваются операции шлифования и нарезания резьбы. Инструментальные материалы. Наиболее важными характеристиками

инструментального материала при высокоскоростном резании являются твердость, теплостойкость и износостойкость. Преимущественное применение нашли твердые сплавы, в том числе с покрытием, режущая керамика, кубический нитрид бора и алмаз. Здесь решающими являются следующие факторы:

•отношение минимальной твердости инструментального материала к максимальной твердости обрабатываемого материала не должно быть меньше 1,4 — в противном случае происходит пластическое разрушение инструмента;

• температура плавления обрабатываемого материала не должна превышать температуры теплостойкости инструментального материала (например, при обработке алюминиевых сплавов, температура плавления которых около 530 оС, возможна обработка твердосплавным инструментом).

22.2. Особенности процесса высокоскоростной обработки

Уже в 20-х гг. ХХ в. было установлено, что для соответствующей пары материалов инструмента и заготовки существует критический диапазон скоростей резания, когда из-за быстрого износа инструмента (рис. 22.1, зона II) работать невозможно. Причиной этого является ухудшение условий износостойкости инструмента из-за роста температуры до tкр (красностойкость). При росте скорости резания энергия, затрачиваемая на разрушение материала, достигает высокой плотности, а генерируемая тепловая энергия способствует разупрочнению и последующему разрушению срезаемого слоя при меньших энергозатратах. При высокоростной обработке снижаются трение и длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что, при одновременном снижении времени их контактирования, приводит к перераспределению тепла и снижению нагревания инструмента и заготовки при существенно большем отводе тепла стружкой. Такая трансформация физических процессов ведет к сильным изменениям параметров резания, в частности:

•уменьшается относительная работа пластической деформации (рис. 22.1, кривая 2) и происходит переход в зону хрупкого разрушения материала. Энергия, расходуемая на хрупкое разрушение, существенно меньше, поэтому снижаются усилия резания и сила трения;

•уменьшается время контактирования стружки с передней и задней поверхностями инструмента, снижается сила трения, уменьшаются усадка стружки и степень деформирования в зоне сдвига, улучшаются демпфирующие свойства процесса резания;

•из-за роста контактной температуры повышается интенсивность износа инструмента.

В обобщенном виде явления в зоне резания приведены на рис. 22.2, а изменение показателей качества процесса обработки от скорости — на рис. 22.3.

Технологические аспекты высокоскоростного резания. С позиции технологии обработки под высокоскоростным резанием понимают сочетание технологических свойств, с помощью которых увеличение скорости резания приводит

кповышению экономически целесообразной производительности обработки при заданных параметрах качества. Для разных групп обрабатываемых мате-

Рис. 22.1. Зависимость температуры от скорости резания (кривая 1) при обработке алюминия и работа разрушения при резании на разных скоростях (кривая 2); зоны возможной (I, III) и невозможной (II) обработки

Рис. 22.2. Явления в зоне резания при высокоскоростном резании

Рис. 22.3. Изменение показателей качества процесса в зависимости от скорости резания при высокоскоростной обработке:

1 — производительность; 2 — сила резания; 3 — шероховатость поверхности; 4 — стойкость инструмента

Рис. 22.4. Скорости резания различных материалов, м/мин:

1 — обычное резание; 2 — переходная зона;

3 — скоростное резание; никелевые сплавы: 1 — 5…15; 2 — 15…30; 3 — 50…300;

титан, титановые сплавы: 1 — 30…80;

2 — 100…120; 3 — 200…500; конструкционные стали: 1 — 100…250; 2 — 300… 500; 3 — 750…2000; чугуны: 1 — 100…250; 2 — 300…500; 3 — 700…3000; бронза: 1 — 150…300; 2 — 500…700; 3 — 700…2500;

алюминиевые сплавы: 1 — 100…500; 2 —

500…2500; 3 — 2500…7500; пластики: 1 — 100…450; 2 — 500…1200; 3 — 1200… 10 000

риалов понятия скоростного резания существенно различаются (рис. 22.4). Некоторые режимы резания при обработке чугуна концевыми фрезами приведены ниже.

Таким образом, технологическое определение «высокоскоростное резание» есть условное понятие, отражающее жесткую связь значений скоростного диапазона со свойствами обрабатываемого и инструментального материалов, технологической средой и видом обработки.

Втабл. 22.1 приведены сравнительные данные при изготовлении пресс-форм

иштампов альтернативными методами, а именно электроэрозионной обработкой и высокоскоростным фрезерованием.

Повышение эффективности высокоскоростной обработки (ВСО). Эффективность процесса ВСО зависит от траектории движения инструмента и других особенностей процесса обработки. Рациональные требования к резанию

перечислены ниже.

• Резание только в одном направлении — попутное фрезерование для черно-

вой и получистовой операций, и встречное — для финишных операций.

• Траектория движения инструмента должна быть максимально гладкой, т.е.

необходимо исключать резкое изменение направления движения.

• Траектория движения инструмента должна предотвращать его перегрузку (часто такие перегрузки происходят при резании полным диаметром инстру-

мента).

• Необходимо избегать резких изменений скорости удаления материала.

• Скорости и ускорения в узлах станка должны быть в допустимых пределах.

• Холостые ходы и время прохождения траектории должны быть минимизированы.

Вреальных условиях все требования выполнить невозможно, однако наиболее существенные из них целесообразно удовлетворить. Наиболее распространенными методами повышения эффективности ВСО за счет траектории движения являются: трохоидальная обработка, так называемое плунжерное фрезерование, сплайн-интерполяция и др.

Трохоидальная обработка. Основой ВСО являются малые сечения среза, снимаемые с большой скоростью. Для исключения обработки полным диаметром инструмента применяется трохоидальная обработка (когда траектория движения инструмента описывается математической кривой трохоидой). В этом

Рис. 22.7. Фрезерование квадратного кармана «зиг-загом»:

а — траектория инструмента; б — область обработки, где инструмент испытывает перегрузки (зона перегрузки показана темным цветом); в — изменение усилий резания (пунктиром показано максимально допустимое усилие на инструмент)

Рис. 22.8. Фрезерование квадратного кармана «зигом»:

а — траектория инструмента (пунктиром показаны нерабочие перемещения); б — области обработки, где инструмент испытывает перегрузки (темным цветом); в — изменение усилия резания (пунктиром показано допустимое усилие)

струмента (первое требование выполняется); второе требование («гладкость» траектории) не выполняется. Исключение — перегрузки инструмента (третье требование) также не выполняется.

При фрезеровании по эквидистанте (рис. 22.9) выполняется первое требование, во многих случаях второе требование выполняется за счет автоматического сглаживания траектории движения инструмента с помощью сплайнов.

Рис. 22.9. Фрезерование квадратного кармана по эквидистанте вдоль контура:

а — траектория инструмента; б — области обработки (темный цвет), где инструмент испытывает перегрузки; в — усилие резания (штриховой линией отмечены допустимые усилия)

Рис. 22.10. Трохоидальная обработка квадратного кармана с использованием:

а — траектории инструмента; б — усилия резания (штриховой линией показано допустимое усилие)

Однако перегрузка инструмента сохраняется. При трохоидальной обработке (рис. 22.10) инструмент движется по спирали, растянутой в плоскости, всякий раз врезаясь в материал на допустимое расстояние (рис. 22.10, а), и исключается резание полным диаметром фрезы. Усилия резания находятся в допустимых пределах. Однако инструмент совершает избыточные перемещения по отводу и подводу инструмента в зону резания на каждом витке трохоида (например, траектория инструмента по сравнению со схемой «зиг-загом» оказывается длиннее в 2,2 раза).