Высокоскоростная обработка: основы и лучшие практики

Высокоскоростная обработка (HSM/HSC) — передовая технология, бурно развитая и внедренная в 1990-х. Обычно подразумевает фрезерование на высоких частотах шпинделя (10 000–100 000 об/мин) и высоких скоростях подачи (40–180 м/мин). Сегодня детально рассмотрим:

• Что такое высокоскоростная обработка
• История высокоскоростной обработки
• Традиционная vs высокоскоростная обработка
• Особенности высокоскоростной обработки
• Факторы для высокоскоростной обработки
• Технологии высокоскоростной обработки
• Преимущества высокоскоростной обработки
• Сферы применения

Что такое высокоскоростная обработка

HSM/HSC — передовая технология, развитая в 1990-х. Фрезерование на высоких частотах шпинделя (10 000–100 000 об/мин) и высоких подачах (40–180 м/мин). Это бодрое резание с высокой интенсивностью удаления металла (MRR), высокой подачей и частотой шпинделя. Сочетает быстрые движения и продуманные стратегии для точных деталей и лучших результатов.

История высокоскоростной обработки

Первые попытки — начало 1920-х. ~10 лет позже Карл Соломон предложил определение: «При конкретной скорости резания в 5–10 раз выше традиционной, температура удаления стружки на режущей кромке начинает падать». Его знаменитая диаграмма стала синонимом изучения HSM — «кривая Соломона».

До конца 1950-х исследования HSM не разворачивались. В 1980-х Lockheed стал ранним последователем, за ним — другие авиакомпании. В этот момент HSM стала жизнеспособной альтернативой традиционной обработке.

Сегодня HSM всё популярнее и всё чаще встречается в мастерских.

Традиционная и высокоскоростная обработка

Традиционная обработка сильно отличается от HSM. Контакт инструмента с заготовкой намного дольше. Традиционная обработка предполагает большие резательные усилия.

По сравнению с HSM, традиционная обычно дает меньшую точность детали и худшую шероховатость. Другое ключевое отличие — интенсивность удаления материала (MRR) намного выше при HSM.

Особенности высокоскоростной обработки

• Высокая интенсивность удаления металла (MRR) и минимизация времени обработки
• Высокая производительность и низкая стоимость
• Отличная размерная точность и точность формы
• Возможности обработки высокоточных сложных 3D-деталей
• Исключение лишних операций: полировка, сборка

HSM решает проблемы обработки новых материалов, адаптируется к 3D-поверхностям с высоким качеством, точностью и сложной формой, снижает/исключает низкоэффективную электроэрозию, решает проблемы тонкостенных деталей, ЧПУ-компоновка высокоскоростной обработки сокращает переустановки и зажимы, избегая ошибок повторного позиционирования — повышает и качество, и эффективность.

Факторы для высокоскоростной обработки:

• Выбор и балансировка инструмента
• Утончение стружки (chip thinning)
• Требования к станку
• Жесткость заготовки и инструмента
• Материалы и стратегии обработки
• CAM-программирование
• Выбор инструмента

Технологии высокоскоростной обработки

HSM — сложный процесс изготовления деталей, нужно уметь его выполнять. Неопытный человек с правильным инструментом не успеет.

HSM — комбинация технологий для различных применений. Эти наборы удобны и полезны для любых операций.

Лучшие техники HSM:

1: Вплывное черновое фрезерование (Plunge Roughing)

Ручной CAM-путь и программа. «Секретное оружие» для спасения ситуации. Две главные черты:

• Смена направления силы с плоскости XY на осевую Z вверх-вниз — более жесткое резание.
• Сверло удаляет больше материала, чем концевая фреза.

При глубоких канавках, вызывающих большой выброс инструмента, вплывное фрезерование лучшее для глубоких канавок. Позволяет черновую обработку на старых станках мастерской.

2: Трохоидальная обработка / фрезерование (Trochoidal Machining / Milling)

Метод ЧПУ-фрезерования для глубоких полостей, закрытых полостей и канавок. Отличное решение для канавок в твердых материалах (титан, инконел).

Главные преимущества:

• Сокращение цикла
• Многощевые инструменты
• Большее удаление материала
• Повышение ресурса инструмента
• Эффект утончения стружки
• Снижение осевых проходов
• Возможность высоких скоростей
• Поддержка непрерывной подачи

3: Побочные шаги (Side Steps)

Эффективные переходы между соседними траекториями при высоких подачах. Склонны давать острые углы на конце прохода. Простые круговые движения острее при высоких подачах. Последние 10 лет параллельное сканирование поверхностей использовалось для финиша многофункциональных моделей.

Подходящее решение для средних подач — простой циклический путь вместо острых поворотов между сканирующими проходами.

Преимущества высокоскоростной обработки

HSM использует высокие скорости фрезерования и быстрые множественные проходы для эффективности, малые диаметры инструментов, подходящие подачи, малые радиальные и осевые глубины резания (режимы резания). При росте скорости фрезерования время резко сокращается, резательные усилия падают, вибрации малы, особенно радиальные силы — деформация детали мала. Большое количество резательного тепла уносится стружкой, температура поверхности низка. Благодаря этим особенностям HSM имеет выдающиеся преимущества: высокая производительность, стабильная работа, высокое качество поверхности, не нужны дополнительные операции отделки, удобна для тонкостенных деталей и материалов с высокой прочностью, твердостью и ломкостью. Сокращает сроки поставки, число оборудования и площадь цехов, число рабочих. Несмотря на начальный рост инвестиций в оборудование, общая эффективность HSM значительно выше.

Сферы применения высокоскоростной обработки

HSM применяется для прямого производства режущих инструментов прототипов, мелкосерийных деталей, деталей двигателей. Главная цель — снижение производственных затрат за счет высокой производительности.

1: Авиационная промышленность

Требования: высокая долговечность и надежность, много ограничений в проектировании/производстве самолетов. Авиация — одна из самых сложных технологий, HSM широко применяется. Внедряются новые процессы/технологии, растет применение высокопрочных алюминиевых сплавов. Основные причины выбора HSM для авиации:

• Глубина резаемого слоя
• Высокая скорость резания, высокая эффективность
• Скорость подачи и точность механической поверхности
• Выбор режимов резания

Эти факторы делают HSM лучшим выбором для авиации vs другие фрезерные технологии.

2: Медицинская промышленность

Медицинское оборудование, инструменты, детали требуют высшей точности — достижимой высокоскоростным ЧПУ. Применяется для ортопедических имплантатов, суставных имплантатов, форм, хирургических инструментов. Требования к материалам варьируются по высоким стандартам качества.

Многие ЧПУ-сервисы специализируются на медицине, накапливая глубокую экспертизу в высокоскоростном ЧПУ и подачах HSM.

3: Высокоскоростная обработка в автомобилестроении

HSM дает широкий спектр продуктов и применений. Последние годы автопром увеличивает высокоскоростную обработку алюминия для снижения веса и стоимости.

Преимущественно для мелкосерийного производства, сложных деталей и формообразования. Автопром требует высокоскоростного фрезерования и массового производства деталей — HSM хороший выбор.

Автодетали изготавливаются HSM, многие ЧПУ-сервисы — отличный выбор для вашего производства автодеталей.