Анализ экономической эффективности высокоскоростного фрезерования

13

Сумский государственный университет

Анализ экономической эффективности высокоскоростного фрезерования

В.А. Залога, д-р техн. наук;

Д.В. Криворучко, канд. техн. наук;

С.С. Емельяненко; Д.Г. Голдун

В данной статье представлен анализ эффективности высокоскоростной обработки по сравнению с традиционной технологией чистового фрезерования. Было показано, что эффективность высокоскоростной обработки в условиях производства Украины можно ожидать в том случае, если производительность высокоскоростной обработки в три раза больше, производительность традиционной технологии чистового фрезерования.

Одним из трех приоритетных направлений развития высоких технологий в Европе является обработка с высокими скоростями резания []. Это связано с возможностью такой технологии увеличить производительность труда и улучшить качество изготавливаемых изделий. Вместе с тем высокая стоимость оборудования, оснастки и инструмента позволяет получить экономический эффект лишь в отдельных случаях, анализу которых и посвящена настоящая работа.

Говоря о высокоскоростной обработке, предполагают конкретный вид обработки со скоростями, в несколько раз больше традиционно применяемых для данной группы обрабатываемых материалов. Например, при чистовом (получистовом) точении углеродистой стали со скоростью 500-600 м/мин вместо рекомендуемых нормативами 150-200 м/мин и со скоростью 2000-3000 м/мин вместо 300-400 м/мин при обработке алюминиевых сплавов []. Такое увеличение скорости резания достигается за счет применения не только новых инструментальных материалов, покрытий и конструкций инструмента, но и за счет новой стратегии построения технологического процесса. Именно из-за этого при наиболее общем определении процесса высокоскоростной обработки (ВСО) указывается, что ВСО - это обработка при такой частоте вращения шпинделя (скорости подачи), которая является достаточно высокой для того, чтобы превратить тяжелый и/или сложный процесс обработки в более гибкий и легкий []. Технологическая гибкость высокоскоростной обработки и малые силы резания, имеющие место при ее реализации, являются отличительными чертами ВСО и определяющими область ее эффективного применения.

ВСО может реализовываться в различных процессах: точении, сверлении, шлифовании и др. Однако наибольшую долю среди всех процессов ВСО занимает процесс высокоскоростного фрезерования (ВСФ). Об этом свидетельствует и непрерывно растущий объем публикаций на эту тему (рис.1).

Рисунок 1 - Динамика публикаций по ВСФ с 1985 по 2005 год

Среди областей применения ВСФ к настоящему времени выделились две, где эффективность этой технологии наибольшая:

обработка деталей из алюминиевых сплавов, в том числе и крупногабаритных, что часто имеет место в авиакосмической и автомобильной промышленности;

обработка закаленных сталей и сплавов, что характерно для инструментальной промышленности, где твердость поверхностей, которые должны быть подвергнуты обработке, часто имеет значения более 50 HRCэ.

За счет чего же может быть получена эффективность в указанных областях использования ВСФ? Анализ литературы [, , , , ] показал, что при обработке алюминиевых сплавов эффективность технологического процесса обеспечивается за счет десятикратного увеличения скорости резания при достаточно большой площади сечения среза, совмещенного с таким же увеличением скорости подачи инструмента по сколь угодно сложной траектории. Дополнительный эффект обеспечивает возможность изготовления сложных деталей цельными и обработку их на одном станке, что дает экономию не только времени и инструмента, но и уменьшает массу деталей. Так, по данным компании Boeing [], за счет применения такого подхода удалось уменьшить массу геометрически сложной алюминиевой рамы с 13.6 кг до 11 кг и сократить время обработки и сборки этой детали с 18 до 14 недель, полностью исключив при этом специальные приспособления, необходимые для изготовления и сборки этой детали по частям.

При обработке закаленных сталей и сплавов, из которых изготавливаются штампы и пресс-формы, реализовать резание с достаточно большими сечениями среза (около 0.1d², где d - диаметр фрезы) и высокой скоростью резания технически невозможно из-за большой температуры резания. Вместе с тем изготовить деталь методом ВСФ возможно, если следовать принципу "срезаем меньше, но чаще" [], т.е. обрабатывать с сечениями среза, в десять раз меньшими традиционно применяемых (около 0.01d²). на небольшую экономию времени такой операции по сравнению с традиционным технологическим процессом "электроэрозионная обработка и фрезерование" (табл.1), эффективность всего технологической процесса ВСО уже закаленной заготовки обеспечивается за счет исключения отдельных как рабочих, так и дополнительных операций (черновое фрезерование до термообработки, электроэрозионная обработка после закалки, изготовление электрода и т.п.). К сожалению, ВСФ закаленных сталей не может быть реализовано в случае, если деталь имеет внутренние скругления радиусом меньше 0.3 мм; если глубина кармана в детали более 5 диаметров фрезы и в некоторых других случаях. Тогда электроэрозионная обработка остается незаменимой. Критерии эффективности сформулированы в работе [].

Таблица 1 - Режимы резания при черновом фрезеровании стали концевой фрезой диаметром 14 мм со сферическим торцом []

Рисунок 2 - Профиль канала направляющего аппарата насоса ЦНС-180

Эффективное применение ВСФ возможно не только в названных случаях. Покажем это на примере использования технологии ВСФ вместо традиционного фрезерования (ТФ) при изготовлении канала направляющего аппарата насоса ЦНС-180. Материал заготовки - нержавеющая сталь 20Х13Л, длина траектории фрезы вдоль обрабатываемой поверхности - 550 мм, минимальная ширина паза 28 мм, глубина паза 32 мм, припуск на обработку по контуру 7 мм и количество каналов в одном аппарате - 6 шт. Форма канала представлена на рис.2. Предположим, что обработка выполняется на вертикально-фрезерном станке 6Р13Ф3. Для реализации частот вращения более 2000 об/мин применим мультипликатор фирмы Big Daishowt Seiki.

Условия реализации технологий обработки ТФ и ВСФ для описанной детали представлены в таблице 2. Увеличение количества проходов с одновременным уменьшением подачи на зуб позволяет уменьшить силу резания и использовать фрезы меньшего диаметра, тем самым увеличив частоту вращения шпинделя и, следовательно, минутную подачу. Это позволяет уменьшить основное время и, таким образом, увеличить производительность обработки.

Таблица 2 - Сравнение показателей ТФ и ВСФ

Рисунок 3 - Погрешность фрезерования в результате действия динамических сил

Как видно из таблицы 2, в рассматриваемом случае производительность ВСФ, по крайней мере, в 2 раза больше производительности ТФ. Именно производительность и определяет эффективность ВСФ. Наш анализ показал, что получение экономии от применения ВФС возможно лишь в том случае, когда производительность процесса ВСФ превышает производительность ТФ не менее чем в 3 раза. Установлено, что на величину экономического эффекта мало влияет величина накладных расходов и доля фонда заработной платы в себестоимости продукции (рис.4).

Таким образом, из всех рассмотренных вариантов реализации ВСФ для заданных условий лишь вариант обработки фрезой 60М является действительно эффективным (табл.2 и рис.4а).

Скорость подачи в этом случае составляет почти 1000 мм/мин, что приведет при практической реализации процесса на станке 6Р13Ф3 к возникновению значительных, соизмеримых с силами резания динамических сил и увеличению нагрузки на рабочие органы станка, имеющие большую массу (стол, консоль), из-за чего при обработке по криволинейным траекториям и обходе угловых точек детали будут возникать дополнительные погрешности (рис.3).

Это тоже одна из особенностей ВСФ, ограничивающая его эффективное применение.

Рисунок 4 - Влияние производительности (а), величины накладных расходов (б) и величины фонда заработной платы (в) на эффективность ВСФ

На основе проведенного анализа можно сформулировать комплекс требований к ВСФ, выполнение которых может обеспечить его эффективную промышленную реализацию.

1. Требования к станку. Состоят в необходимости обеспечивать большие частоты вращения шпинделя (более 4000 об/мин) и осуществлять перемещения инструмента относительно заготовки с большими скоростями подачи (более 1000 мм/мин) [, ]. Станок должен иметь высокую жесткость и демпфирующую способность [], а также иметь биение посадочных поверхностей шпинделя не более 3 мкм. Таким требованиям удовлетворяют, например, станки фирм HAAS, FANUC и др.

Одним из путей расширения возможностей вертикально-фрезерных станков, имеющих частоты вращения шпинделя до 2000 об/мин (традиционно применяемые модели), является оснащение их мультипликаторами (ускорительными головками), позволяющими увеличить частоты вращения от 3 до 6 раз. В частности, на территории Украины уже нашли практическое применение мультипликаторы фирм Big Daishowa Seiki, Madaula и др.

2. Требования к оправке для закрепления инструмента. Состоят в необходимости точной динамической балансировки по G 2,5, малых биениях посадочных поверхностей (не более 20 мкм), необходимости демпфирующей способности и надежности закрепления инструмента при больших частотах вращения [].

3. Требования к инструменту для ВСФ. Среди требований к инструменту следует выделить требования к его конструкции, техническому состоянию и к инструментальному материалу. Инструментальный материал должен быть химически инертен по отношению к обрабатываемому материалу, обладать высокой стойкостью к окислению и высокой теплостойкостью (не менее 1000С), обеспечивать остроту режущих кромок, т.е. иметь малые радиусы их округления, иметь большой предел прочности на изгиб. Указанным требованиям соответствуют новые особо-, сверх - и ультрамелкозернистые твердые сплавы марок ВК6ОМ, VHM, DK460U F, DK120, HM-UF, UWC, KHA S и кубический нитрид бора []. С другой стороны, инструмент для эффективной и безотказной работы должен иметь малые биения и быть обязательно отбалансированным [], обеспечивать эффективное удаление стружки из зоны резания и обеспечивать демпфирование вибраций [, и др.]. Конструктивные особенности фрезы для ВСФ показаны на рис.5.

4. Требования к системе ЧПУ. Состоят в необходимости отработки УП программ длиной более 1 Мб, обладать высоким быстродействием, необходимости раннего определения участков торможения и разгона, возможности NURB интерполяции и т.д. [].

Рисунок 5 - Отличительные особенности твердосплавных монолитных фрез для ВСФ (Фреза Z-CARB и SKI-CARB фирмы SGS Tool Company - USA)

5. Требования к САМ системе. САМ-система является неотъемлемой частью комплекса средств для реализации ВСФ. САМ-система должна иметь возможность создания УП для послойной обработки детали, исключая при этом резкие повороты в угловых точках траектории (см. рис.5); должна реализовывать функции обработки карманов и др. функции [, ] ; предусматривать виртуальный контроль УП. В настоящее время на рынке представлено много САМ-систем разного уровня, среди которых наиболее популярными являются SIMATRON, ProEngineer, SurfCAM и др.

Таким образом, эффективность ВСФ определяется способностью станка, приспособления, инструмента, системы ЧПУ и САМ-системы реализовать необходимые для обработки заданной детали условия. В отличие от ТФ качество и возможности САМ-системы существенно влияют на стойкость инструмента и качество обработанной поверхности, так как разработка УП для ВСФ без САМ-системы практически невозможна. В условиях Украины внедрение ВСФ вместо ТФ будет целесообразным в том случае, если ВСФ будет обеспечивать повышение производительности по сравнению ТФ не менее чем в 3 раза.

Summary