High Speed Machining (HSM) je důležitá technologie široce používaná v moderní technologii frézování. Aplikací frézovací technologie HSM je možné nejen frézovat různé měkké a tvrdé materiály, ale také dosáhnout vynikající přesnosti obrobku. Tento článek popisuje požadavky HSM na nástroje a držáky.
1. Požadavky HSM na řezné nástroje
1. Geometrie
Vibrace nástroje přímo ovlivňují kvalitu povrchu získanou obráběním. Proto je extrémně důležité udržovat rovnoměrnou řeznou sílu na nástroj během HSM dokončování, aby se zabránilo vibracím nástroje.
Vliv sousedních geometrických charakteristik nástroje na řeznou sílu:
• Dobrá soustřednost usnadňuje rovnoměrné rozložení zatížení na řeznou hranu
• Větší přesah ostří pro rovnoměrné charakteristiky řezné síly (větší úhel šroubovice a počet drážek)
• Krátká délka řezu pro lepší tuhost (průměr hřídele je o něco menší ve srovnání se strmými stěnami stroje)
• Nejlepší stav průřezu jádra s minimální koncentrací napětí ve vrubu
Vysokopevnostní materiály lze zpracovávat pomocí HSM, což znamená, že odolnost proti deformaci roste s tvrdostí zpracovávaného materiálu. Zvýšené zatížení řezné hrany vyžaduje stabilní návrh geometrie řezné hrany. Při vysoké řezné rychlosti však bude ve volné oblasti povrchu obrobku vznikat více třecího tepla, což znamená, že úhel hřbetu nástroje se musí zmenšit. Zvýšení stability řezné hrany lze tedy dosáhnout pouze snížením úhlu úkosu. V případech, kdy je materiál velmi tvrdý a materiál nástroje je křehký, může to dokonce vést k negativnímu úhlu úkosu.
Přesně padnoucí rádiusy jsou broušeny na špičce kotouče, aby se zabránilo rozžhavení do červena nebo částečnému zlomení ostří při náhlém zahřátí.
Pokud je požadována velmi vysoká tvarová přesnost obrobku, má poloměr kulové části použitého dokončovacího nástroje přímý dopad na tvarovou přesnost zpracovávaného obrobku. Proto je jako základní podmínka velmi důležité používat nástroje s velmi malými tolerancemi poloměru (v rozsahu mikronů) při dokončování velmi jemných dílů.
2. Materiály a nátěry
Materiál nástroje musí být tvrdší než obráběný materiál. Čím větší je rozdíl tvrdosti mezi materiálem obrobku a materiálem nástroje, tím menší opotřebení nástroje a delší životnost nástroje. Vzhledem k vysokým místním teplotám je také nutné zajistit, aby materiál nástroje byl odolný vůči oxidaci.
Velké kolísání tepelného zatížení a potřeba odolnosti materiálu nástroje vůči oxidaci vedou k případné potřebě povlaků na jemnozrnných karbidových tělesech nástrojů.
Osvědčené nátěrové systémy jako TiN, TiCN a TiAlCN rychle dosahují svých limitů při zpracování HSM. Proto byly vyvinuty vícesložkové nátěrové systémy na bázi nitridů s vysokým obsahem hliníku v kombinaci s dalšími prvky, jako je yttrium, vanad nebo tantal. Vyššího výkonu lze dosáhnout také pomocí struktur nanovrstvy, CBN a PKD.
2. Požadavky HSM na držáky nástrojů
Vzhledem k vysokým otáčkám vřetena požadovaným při obrábění HSM je nejlepší použít systémy držáků nástrojů HSK-A a HSK-E. Vzhledem k tomu, že příruba držáku nástroje je nasazena na hlavě vřetena, má držák nástroje definovanou mechanickou oporu ve směru Z, takže při vyšších rychlostech nedochází k jeho zatahování do vřetena vlivem zvýšených odstředivých sil.
Zásadní chyby se mohly vyskytnout již ve fázi přípravy procesu, což znemožňuje méně vibrací a bezpečné řízení procesu. Pro dosažení stabilního HSM obrábění je nezbytné podle potřeby vyvážit a zkontrolovat vyrovnání sestavy nástroje a držáku nástroje. Musí se také vzít v úvahu omezení rychlosti otáčení spojené s nevyváženou hmotou.
Špatně vyvážený nebo nevyrovnaný rotační nástrojový systém bude mít za následek:
• velmi špatná kvalita povrchu
• velmi nízká životnost nástroje
• Špatná stabilita a bezpečnost procesu
• Možné poškození frézovacího vřetena
Nevyváženost a odchylka od ideální soustřednosti způsobená náhlými změnami v procesu lze velmi jasně vidět na schématu níže:
Žádná odchylka ve srovnání s dokonalou soustředností: menší teoretická drsnost
Odchylka od dokonalé soustřednosti: větší teoretická drsnost
Vyvažovací hmota má významný vliv na dynamický výkon celého rotačního systému.
Nevyváženost je ekvivalentní rotaci excentrického předmětu. Toto excentrické těleso může vyvolat odstředivou sílu, která se kvadraticky zvyšuje s rychlostí otáčení. To znamená, že stejná nevyváženost vyvolá 441krát větší odstředivou sílu na vřeteno při 42,000 ot./min než na vřeteno při 2,000 ot./min (212=441). Proto má nevyváženost uspořádání nástrojového držáku při vysokorychlostním obrábění zvláště výrazné nepříznivé důsledky.
Při použití technologie upínání nástrojů v HSM můžete držáky nástrojů používat s:
• Kleštiny a
• Redukce
Alternativní systémy, jako jsou konektory Weldon, se nedoporučují, protože mají značné nevýhody při zpracování HSM.
Díky dobrým tlumicím vlastnostem kleštinových držáků, které poskytují dobré výsledky během hrubovacího procesu, lze spolu s redukčními spoji dosáhnout velmi vysokého stupně tuhosti a opakovatelnosti. To je nezbytné pro získání dokonalého povrchu obrobku. Použití reduktorů umožňuje dosáhnout velmi přesné soustřednosti (odchylka menší než 0,003 mm) a vysokého přenosového momentu.
Konstrukční struktura různých redukčních nástrojových držáků: přenosový moment závisí na konstrukční struktuře upínacího zařízení; různé konstrukční struktury, mohou být velmi odlišné.
