Высокоэффективная обработка

Стратегия механического цеха в соответствии с ОР-технологией от ESPRIT CAM

Термин высокоскоростная обработка (HSM) стал популярным брэндом с 1990 г. Многие производства сталкиваются с необходимостью выполнения высокоскоростной обработки, чтобы оставаться конкурентоспособными, т.е. обработки с частотой вращения 15 000 мин^-1 и скоростью подачи 7,6 м/мин. Консенсус, однако, заключается в том, что высокоскоростная обработка, главным образом, имеет место в аэрокосмическом производстве и при изготовлении штампов и литейных моделей, когда осуществляется обдирочное фрезерование деталей. Если рассуждать более широко, принимая во внимание не только высокие скорость резания и подачу, то экономически эффективная технология, в общем случае ассоциирующаяся с высокопроизводительной обработкой, может быть внедрена во всех механических производствах.

Высокопроизводительная обработка подразумевает комплексный подход, при котором принимают во внимание существующие и потенциально возможные металлорежущие станки, инструментальную оснастку, устройства для закрепления режущих инструментов, приспособления, технологию и стратегию механической обработки. Высокопроизводительная обработка может наилучшим образом обеспечить достижение конкретных целей обработки деталей, когда на производстве применяется оптимальная технология механической обработки независимо от конкретной детали, подачи и скорости резания или вида производства.

Рис. 1. Шаблон детали: заготовка – толстый брусок алюминия, 413 х 211 х 76 мм

Рис. 2. Изображение на экране, иллюстрирующее прямолинейное резание, рекомендуемое при фрезеровании

Пять шагов внедрения высокопроизводительной обработки

1.             Приоритет модернизации производства. Кто-то должен официально отвечать за внедрение высокопроизводительной обработки. В то время как официально назначенное лицо должно возглавлять эту работу, в реализации проекта должна принимать участие некоторая команда. Эта команда должна включать руководство, инженеров-технологов и цеховых работников, обладающих правом приобретения всего необходимого для обеспечения желаемой модернизации производства.

2.             Анализ и оценка преимуществ и недостатков существующих металлообрабатывающих станков. Не все металлорежущие станки, даже станки с одинаковой технической характеристикой, работают аналогичным образом. Каждый металлорежущий станок имеет преимущества и недостатки. Для модернизации производства необходимо оценить состояние имеющегося парка металлорежущих станков, проанализировать применяемые технологические процессы обработки и выявить операции, на которые затрачивается наибольшее время. Это должно послужить точкой отсчёта для первых шагов по модернизации процесса обработки.

3.             Исследование стратегии механической обработки и особенностей инструментального хозяйства. Поставщики металлорежущих станков и персонал, обслуживающий эти станки, обязательно должны консультироваться друг с другом по вопросам конкретно выполняемых операций механической обработки. Необходим также контакт с поставщиками режущих инструментов и инструментальной оснастки. Доступная информация  поставщиков режущих инструментов является превосходной базой для выработки рекомендаций наилучшего использования металлорежущих станков и режущих инструментов аналогично другим источникам информации, таким как выставки металлорежущих станков, семинары по механической обработке и специальные журналы.

4.             Сопоставление старых и новых методов обработки. Экспериментальная обработка деталей имеющимися  режущими инструментами с использованием технологии и стратегии, полученных при проводившихся ранее исследованиях. Регистрация скорости резания, подачи и глубины резания, обеспечивающих оптимальные интенсивность съёма обрабатываемого материала и стабильность процесса резания. На основании полученных результатов производство может, изучив соответствующие каталоги, заказать новые режущие инструменты для проведения дополнительных испытаний.

Например, можно взять заготовку в виде блока материала, закрепить её в тисках и выполнить некоторое очень простое экспериментальное резание.  Экспериментальное резание с различной стратегией обработки, запись результатов и использование этих результатов для обработки следующей детали имеют целью сокращение машинного времени и повышение стойкости режущих инструментов в рамках старых методов обработки.

Исследование новых режущих инструментов

Исходная стратегия обработки (цельнотвёрдосплавная черновая концевая фреза диаметром 31,75 мм с длиной режущей части 101,8 мм)

Результаты испытания нового инструмента (инструмент с одной режущей пластиной; диаметр 31,75 мм, вылет 80 мм)

Производства, которые имеют дело с обработкой деталей одного типа, могут скептически относиться к проведению описанной выше экспериментальной обработки, так как они не хотят неоправданно рисковать и столкнуться с бракованными деталями. С другой стороны, они также возможно осознают, что они не могут больше иметь дело со старой практикой обработки. Однако, подобные производства могут проводить эксперименты с учётом условий единичной обработки, повторяя аналогичные операции при обработке различных деталей и выполняя пошаговые изменения. Производства, имеющие дело с обработкой деталей одного типа, часто сталкиваются со сверлением и нарезанием резьбы в отверстиях одного и того же размера во многих обрабатываемых деталях и с фрезерованием при аналогичных условиях резания,  инструментальной оснастке, скорости резания, подаче и глубине резания. В действительности, имеет место повторение процесса обработки не совсем аналогичных деталей. Производство заинтересовано в модернизации этих процессов обработки в первую очередь до внедрения новых процессов обработки.

5.             Выбрать наилучший вариант и внедрить этот вариант в производство. После проведения испытаний производство может определить, какая комбинация факторов обработки даёт наибольший эффект. Может случится так, что за счёт простого регулирования глубины резания и/или скорости резания и подачи желаемые результаты можно достичь при существующей инструментальной оснастке. С другой стороны, производство может выявить необходимость покупки новой инструментальной оснастки и переработки части программы обработки детали для обеспечения максимальной эффективности новой стратегии обработки. Как только направление работы выбрано, необходимо внедрять принятый план в производство как можно скорее.

Практические примеры

Хорошим примером практической реализации преимуществ высокопроизводительной обработки является обработка шаблона из крупной алюминиевой заготовки размером 413 х 211 х 76 мм. Особенно проблематичным на начальной стадии обработки было фрезерование наружной поверхности детали с глубиной резания 76,2 мм. Диаметр инструмента не превышает 31,75 мм, что обусловлено радиусом скругления внутренних угловых участков обрабатываемой полости. Заказчик выбрал цельно твёрдосплавную черновую концевую фрезу с длиной режущей части 101,6 мм, которая специально предназначена для обработки алюминия. На предприятии выявили, что когда ширина резания превышает половину диаметра инструмента, то имеет место вибрация и, от случая к случаю, даже поломка инструмента.

Цель заключалась в определении стратегии обработки, которая устраняла бы опасность возникновения вибрации, сокращала бы время цикла обработки и увеличивала бы стойкость режущего инструмента. Следуя положениям высокопроизводительной обработки, заказчик провёл необходимую оценку существующей инструментальной оснастки и экспериментально исследовал новую стратегию обработки. Была выполнена простая обработка пазов с помощью имеющихся режущих инструментов, а затем аналогичную экспериментальную обработку выполняли с помощью новых инструментов, заказанных по каталогу.

Новые режущие инструменты позволили оптимизировать скорость резания, подачу и глубину резания, что, в свою очередь, обеспечило увеличение производительности обработки на 30 %. Экспериментальная обработка, выполняемая новыми режущими инструментами, показала, что при скорости резания 810 м/мин и подаче 0,37 мм/зуб (8250 мин^-1 и 3048 мм/мин) имеет место акустически стабильное резание и большая стойкость режущих инструментов. Полученные результаты несколько удивительны, так как, хотя такая скорость резания и не является столь уж необычной для обработки алюминия, однако, подача порядка 0,38 мм/зуб очень велика для инструмента с одной стружечной канавкой, работающего с вылетом из патрона 90 мм, хотя и не выходит за диапазон подачи, рекомендуемой для этого режущего инструмента. На предприятии скептически относились бы к подобной стратегии оптимизации, если бы не были проведены необходимые испытания и если бы на предприятии не увидели бы воочию результаты. Оценка, испытания и изменение процесса обработки были завершены за один день.

Система САМ в качестве союзника

Обработка с использованием компьютера (САМ) представляет собой стратегию, которую предприятия могут использовать для повышения эффективности накопления данных при проведении описанной выше экспериментальной обработки. Гибкая система САМ сохраняет информацию об обработке и преференции в базе данных, откуда они могут быть быстро извлечены для использования при обработке любых деталей. Идеальное программное обеспечение не только включает жёсткий набор стандартных циклов механической обработки, который можно легко расширять, но и позволяет программисту создавать привязанные к конкретному заказчику подпрограммы, которые выходят за ординарную траекторию режущего инструмента. В частности, система САМ, включающая язык программирования Visual Basic, облегчает привязку программы к конкретному заказчику за счёт промышленного стандартного языка макро.

Система САМ с реальным моделированием показывает процесс обработки точно таким, каким он был бы при реальном перемещении узлов станка, позволяя прогнозировать новую стратегию обработки и видеть влияние этой стратегии на время цикла обработки. Эти возможности особенно полезны при обработке детали с нескольких сторон с использованием вращающихся столов. При обработке сложных деталей предприятие может использовать персональные компьютеры непосредственно в производственных условиях для быстрого изменения траектории режущего инструмента, моделирования изменений в системе САМ, кода DNC станка и начала резания.

Наглядным примером эффективного использования системы САМ в производственных условиях является обработка детали для вакуумной камеры. На предприятии  для черновой обработки трёх больших карманов вакуумной камеры использовали те же режущий инструмент и технологию обработки, применяемые при обработке упоминавшегося ранее алюминиевого шаблона. Соответствующая информация об инструменте и процессе обработки была сохранена в система САМ и, таким образом, была доступна для дальнейшего использования.

Различные обрабатываемые детали, различные металлорежущие станки, различные заказчики, но аналогичный процесс обработки.

Высокопроизводительная обработка – это не панацея при решении частных проблем обработки резанием. Речь идёт о внедрении в производство наилучшей технологии обработки и о накоплении информации и знаний для будущей механической обработки.

Стратегия оптимизации технологии обработки

Следующие испытания могут проводиться во всех механических цехах, включая производства, имеющие дело с обработкой однотипных деталей. Речь идёт об улучшении стратегии механической обработки в направлении высокопроизводительной обработки

1. Начинать при средних значениях скорости резания и подачи, рекомендуемых изготовителем режущих инструментов.

2. Выполнить обработку прямолинейных пазов, начиная с малой глубины резания (например, 2,54 мм).

3. Увеличивать глубину резания до возникновения вибрации (обычно увеличение с шагом 1,27 или 2,54 мм).

4. При максимальной глубине резания, при которой отсутствует вибрация, увеличивать подачу и скорость резания до наивысших значений рекомендованного диапазона значений.  

5. При возникновении вибрации уменьшать глубину резания и повторять обработку пазов до выявления приемлемой глубины резания.

6. При повреждении инструмента уменьшать скорость резания или подачу в зависимости от вида повреждения.

7. Повторить описываемое выше резание при 50 % ширины резания. Часто режущие инструменты, которые не обеспечивают эффективную обработку паза, будут работать очень спокойно при 50-и процентной ширине резания.

8. В процессе проведения испытаний регулярно записывать получаемые результаты.

9. Проанализировать процесс резания и выявить, при какой глубине резания и каком сочетании подачи и скорости резания обеспечивается наивысшая интенсивность съёма обрабатываемого материала (или наивысшее качество обработанной детали, если имеется расхождение).

10. Использовать полученные результаты при обработке деталей.