Высокоскоростная обработка и традиционный технологический базис: преодоление несовместимости

23 Августа 2012

(Обзор зарубежного опыта).

Высокие обороты шпинделя и стремительные перемеще­ния рабочих органов станка по осям координат, присущие высокоскоростной обработке – это всего лишь средства достижения цели, а не сама цель. Так утверждали авторы статьи «Высокая скорость... первый шаг» (см. «МТТ» №5/2004). Их правоту подтверждает и нынешняя пуб­ликация, гораздо более раз­вернутая и глубокая. Продол­жить затронутую тему нас по­будило сложившееся в Украи­не отношение к высокоско­ростной обработке – одни руководители до сих пор счи­тают ее преимущества наду­манными, другие не решают­ся инвестировать в нее средс­тва, третьи – даже решившись на затраты, сомневаются в их окупаемости. Надеемся, что статья поможет вам разоб­раться в проблеме.

Предисловие

О высокоскоростной обработке уже сказано и написано достаточно много и сегодня уже никого в ее преимуществах не приходится убеждать – они очевидны. Более актуальным сейчас является поиск путей ее внедрения, особенно в ситуации большинства украинских предприятий, вынужденных эксплуатировать морально устаревший станочный парк, по большей части, представляющий собой наследие советского периода. На первый взгляд ог­раниченные технологические возмож­ности такого оборудования и требования выполнения высокоскоростной обработ­ки кажутся абсолютно несовместимыми. Однако многолетние наблюдения за опытом внедрения этой технологии предпри­ятиями развитых в промышленном отно­шении стран показывают, что многие производители, подходя к ней совершен­но различными путями и во многих слу­чаях испытывая такие же проблемы, тем не менее, добивались значительного эф­фекта от ее применения. Поэтому, невзи­рая на значительную разницу в технико-экономическом развитии, ознакомление с зарубежным опытом решения подоб­ных проблем представляется своевремен­ным и полезным.
Именно это и является целью пред­лагаемого цикла статей. По форме каж­дая статья представляет собой обзор публикаций по конкретным аспектам указанной проблематики с коммента­риями и обобщениями автора.
Хочется верить, что ознакомление с за­рубежным опытом даст представление о том, каким образом необходимо произво­дить подготовку оборудования к освоению технологии высокоскоростной обработки и послужит определенным стимулом к ее внедрению на наших предприятиях.

Высокоскоростная обработка – не обязательно новый станок!

Казалось бы, понятие высокоскоро­стной обработки и соответствующая абб­ревиатура «HSM» (High Speed Machining в англоязычной транскрипции) являются уже достаточно распространенными и не допускают неоднозначного толкования. На нашем рынке промышленного обору­дования уже достаточно широко представлены производители станков, инструмен­та и оснастки для этой прогрессивной тех­нологии металлообработки. На первый взгляд может показаться, что только при­обретение именно такого, достаточно до­рогого оборудования является единствен­ным вариантом доступа к очевидным ее преимуществам. Для многих наших про­изводителей с учетом отечественных эко­номических реалий это кажется недости­жимым не только в ближайшей, но и даже в достаточно отдаленной перспективе.
Однако не все здесь так ясно и одноз­начно, как представляется на первый взгляд. Свидетельством тому служит мне­ние господина Р. Филда (Ron Field), вице-президента фирмы Millstar (г. Блумфельд, Коннектикут, США), работающей в сфе­ре производства штампов и пресс-форм. К заголовку его статьи «Высокоскоро­стная обработка штампов и пресс-форм» в скобках добавлено весьма многозначи­тельное примечание – «Пересмотренная», а затем добавлен не менее интересный подзаголовок, отражающий смысл всего материала статьи – «Новый станок может не понадобиться – достаточно внести из­менения в процесс». Хронологически статья относится к 2002 г. и отражает эво­люцию взглядов автора на само понятие высокоскоростной обработки, которая выразилась в пересмотре основных поло­жений более ранней его публикации на ту же тему. Итак, автор указанной статьи ут­верждает буквально следующее:
«С момента появления моей статьи на тему HSM (1996г.) многое из того, что ка­сается HSM, изменилось. Одна вещь ста­бильно остается без изменений – обилие бес­системной и противоречивой информации.
На меня произвело неизгладимое впечат­ление то, что так много предприятий пре­успели в использовании HSM за последние 6 лет. Я был свидетелем того, как некоторые из них повысили свою производительность во много раз, попросту изменив процессы и стратегии. Я работал с одним предприяти­ем, которое в прошлом обычно тратило 24 рабочих часа на производство одного штам­па с размерами 12x24 дюйма. Процесс вклю­чал в себя изготовление электрода, фрезер­ную обработку, электроэрозионную обра­ботку и несколько часов шлифовально-доводочных работ. Изменив процесс, предприя­тие получило возможность полного произ­водства такого штампа на том же самом станке, который ранее использовался толь­ко для изготовления электрода. Стадия электроэрозионной обработки была полнос­тью исключена за ненадобностью. Также была устранена стадия снятия доводочного припуска, остающегося после электроэро­зионной обработки. Поскольку штамп про­изводился на обрабатывающем центре, обеспечивающем финишную чистоту повер­хности на уровне 30 RMS, то это оказалось даже выше уровня требований, предъявляе­мых к поверхности изготавливаемого штампа. И полный процесс изготовления штампа выполнялся при этом всего за 1 час.
Понятие высокоскоростной обработки заслуживает пересмотра не по причине то­го, что что-то изменилось, а по причине того, что еще много предприятий, до сих пор ее не применявших, могут воспользо­ваться ее преимуществами. Большое число предприятий до сих пор испытывают сом­нения в принятии решения об осуществле­нии инвестиций в новое оборудование для высокоскоростной обработки, другие – вообще считают ее мифом, третьи – риску­ют покупать высокоскоростное оборудо­вание, но сомневаются в его окупаемости.

Что же отличает высокоскорост­ную обработку?

Ответ: ничего особенного. Мы просто осуществляем замену процесса, состоящего из нескольких медленных и «тяжелых» резов на процесс из множества гораздо более мно­гочисленных, гораздо более быстрых и «лег­ких» резов. Объем удаляемого за один рез ма­териала является гораздо меньшим, но рез теперь выполняется во много раз быстрее.
Главное преимущество высокоскорост­ной обработки состоит в малой глубине резания.
Малая глубина резания обуславливает значительное уменьшение уровня тепловой энергии, выделяющейся в процессе обра­ботки. При этом становится возможным значительное (до 10-кратного) увеличение частоты оборотов шпинделя. А поскольку удельная длина реза на один зуб фрезы ос­тается без изменений, то в пропорции с частотой оборотов шпинделя становит­ся возможным использование гораздо более высоких скоростей подач.

Пример. Обычная черновая обработка

2-перьевой шариковой концевой фрезой диаметром:	0,5 дюйма
Частота оборотов шпинделя:	9001/мин
Скорость подачи:	14 дюйм/мин
Глубина резания:	0,25 дюйм
Смещение по поверхности детали для очередного реза:	0,5 дюйм
Скорость обработки:	1,75 куб.дюйм/мин

Высокоскоростная обработка инструментом того же диаметра

Частота оборотов шпинделя:	92001/мин
Скорость подачи:	147дюйм/мин
Глубина резания:	0,05 дюйм
Смещение по поверхности детали для очередного реза:	0,25 дюйм
Скорость обработки:	1,83 куб.дюйм/мин

Из этого примера видно, что скорость обработки повысилась. Еще одно преиму­щество состоит в том, что полученная в результате обработки форма детали яв­ляется более близкой к требуемой, так что в некоторых случаях дополнительные полуфинишные проходы могут не понадо­биться. Это сокращает время и затраты на выполнение обработки.
Правильный учет влияния выделяемого в процессе высокоскоростной обработки теп­ла позволяет ее эффективно использовать и для обработки материалов повышенной твердости. В прошлом обработка твердых материалов требовала снижения частоты оборотов шпинделя, поскольку в этом случае выделялось гораздо большее количество теп­ла. Если снизить частоту оборотов шпинделя ниже 900 1/мин, то общее время обработки при этом оказывается больше, чем при элек­троэрозионной обработке – именно поэтому последняя традиционно применялась для об­работки деталей, прошедших термообра­ботку. Но при HSM снижение частоты оборотов шпинделя, соответствующее уменьшению количества выделяемого тепла до необходимого уровня, не представляет особой трудности. В эксперименте, анало­гичном приведенному выше примеру, мы по­низили количество оборотов с 9200 до 6000 с целью удержания количества теплоты на приемлемом уровне. Это, естественно, уд­линило общее время обработки по сравнению со случаем обработки незакаленной детали, но все же оно оказалось значительно лучше по сравнению с электроэрозионной обработкой. В большинстве случаев конкретный штамп может быть изготовлен полностью исключительно фрезерной обработкой и за время, равное времени изготовления соот­ветствующего электрода.

В каких случаях обработка может счи­таться высокоскоростной? Мой ответ на этот вопрос по прошествии нескольких лет изменился. Ранее я говорил, что HSM начинается с 1200 квадратных футов в минуту, но при этом выходит, что доста­точно много клиентов, имеющих станки с максимальной частотой оборотов шпин­деля, равной всего 4000 1/мин, не в состоя­нии выполнять HSM. Теперь я считаю, что HSM – это процесс, а не конкретные значе­ния частоты оборотов и скоростей подач. Много параметров оборудования влияют на то, сколько оборотов в минуту или дюй­мов в минуту может квалифицироваться как «высокоскоростное» значение. На каждый из них необходимо обращать внимание, но некоторые являются особо важ­ными. Особо важными являются конструктивные параметры станка, влияю­щие на появление вибрации, резонансных колебаний составных частей и т.п. Не ме­нее важными представляются и характеристики применяемого инструмента в части термоустойчивости и минимиза­ции геометрических искажений по причине тепловых деформаций.
Конструкция станка, максимально до­пустимое значение частоты оборотов шпинделя и максимально возможные зна­чения скоростей подач важны только в той мере, в которой они ограничивают максимально возможную скорость обра­ботки. Но, как я уже говорил, я наблюдал успехи попыток применения HSM и на станках старых типов с частотой оборо­тов шпинделя, равной 4000 1/мин.
Что касается собственно глубины реза­ния, то, например, для стали она обычно выбирается на уровне не более 1/10 части диаметра применяемого инструмента. Конкретные рекомендации по режимам ре­зания при использовании HSM может пре­доставить ваш поставщик инструмента».
Я выполнил здесь столь подробное ци­тирование этой статьи с целью наиболее точно отразить логику автора, который, являясь профессионалом в отрасли, не только определяет HSM как безусловно перспективное (если не главное) направ­ление повышения эффективности про­изводства, но и указывает на возмож­ность ее применения гораздо более ши­роким, чем это кажется на первый взгляд, множеством производителей со скром­ными производственными возможностя­ми, и именно это обстоятельство должно представлять для нас особый интерес.
Заключительный вывод своей ста­тьи господин Р. Филд формулирует следующим образом:
«Если вы будете понимать HSM как процесс, а не как технологию, то легко можно видеть, что даже станок старого типа сможет ее выполнять. Конечно, новое оборудование может дать гораздо более впечатляющие результаты, но даже на старом, соответственно изменив процесс, можно сократить временные и финансовые затраты с одновременным улучшением ка­чества изготовляемой продукции. Доста­точно только начать, пусть даже имея об этом весьма отдаленное представление – и некоторые из преимуществ HSM вы ощу­тите немедленно».
После прочтения этих строк трудно из­бавиться от впечатления, что автор опре­деленно побывал на одном из предприя­тий Харькова, Одессы или Днепропетров­ска. Даже не верится, что такие же пробле­мы могут существовать не только у нас, но и в далеком Коннектикуте. Выразив приз­нательность господину Филду за его про­фессионализм и умение убеждать, отме­тим, что наши представления о высоко­скоростной обработке пока что действи­тельно остаются весьма отдаленными и явно недостаточными для того, чтобы конкретно приступать к ее внедрению.
И здесь естественным порядком у нас появляется вопрос: «А существует ли по возможности более однозначно трактуе­мое определение этой технологии?»
Просмотрев достаточно много публи­каций по интересующей нас теме, можно остановиться на попытке определения HSM, предпринятой в статье «High Speed Machining and NC Post-Processing», как наиболее удачной из имеющихся. Статья размещена на фирменном сайте корпо­рации «IСАМ Technologies Corporation», занимающейся разработкой CAD/CAM-систем и постпроцессоров и хронологи­чески относится к 2002 г. В ней приводит­ся буквально следующее определение понятия высокоскоростной обработки:
«Высокоскоростная обработка стала се­годня одним из ведущих методов улучшения производительности оборудования. Термин «Высокоскоростная обработка» (HSM) за­ключает в себе высокие значения частоты оборотов шпинделей и скоростей подач, вы­сокие значения ускорений разгона/торможе­ния рабочих органов, а также высокие ско­рости позиционирования. Вместе с тем нуж­но отметить, что акцент при этом дела­ется не только на высокие скорости, но так­же и на высокую точность выполнения опе­раций при обработке на высоких скоростях.
HSM (в частности, фрезерование) в оп­ределенном смысле не очень отличается от традиционной обработки. Здесь также имеют дело с теми же компонентами про­цесса, что и при обычной обработке: вели­чинами скорости подач и частоты оборо­тов, глубины резания, режущим инстру­ментом и т.д. Разница состоит в способе применения этих компонентов. На прак­тике, при HSM одно является основопола­гающим: замена небольшого числа медлен­ных и глубоких резов большим числом гораз­до менее глубоких и быстрых, без увеличе­ния, а во многих случаях даже с сокращени­ем длительности общего цикла обработки».
Здесь нам не остается ничего другого, как в очередной раз выразить призна­тельность г-ну R Филду за его меткое за­мечание по поводу обилия «бессистем­ной и противоречивой информации». Попытаемся разобраться в ней самосто­ятельно, чтобы все-таки выстроить для себя определенную систему понятий.
Отметим, что при всех недостатках приведенного выше определения, в нем все же выделено то, что является основополагаю­щим отличием HSM. Все остальное явля­ется лишь ее характерными признаками, но слабо отражает сущность, поскольку, по тому же определению, скорость – это дале­ко не единственное, что ее определяет.
Для начала позволим себе не согла­ситься с господином Филдом в отноше­нии терминологии, и все-таки будем счи­тать HSM технологией, понимая послед­нюю, как совокупность правил, определя­ющих методику и последовательность вы­полнения производственных операций в ходе процесса изготовления конечного продукта из исходного материала.
Отметим далее, что любая технология предусматривает использование необхо­димых средств производства: оборудова­ния, оснастки, инструмента, при необхо­димости – систем управления, компьюте­ров, информационного и программного обеспечения и т.п. Для краткости в даль­нейшем совокупность средств произ­водства, необходимых для реализации конкретной технологии, будем имено­вать ее технологическим базисом.
Далее введем понятие элементарной операции, типичным примером которой может являться, например, выполнение одного прохода в многопроходных цик­лах обработки, и понятие удельной про­изводительности элементарной опера­ции, понимая это, как объем удаляемого в результате ее выполнения материала.
Наконец, заметим, что такие интуи­тивно определяемые термины, как «глу­бокий и тяжелый рез», «легкий и быстрый рез» и им подобные должны либо допускать более однозначную интерпре­тацию, либо должны быть исключены из употребления и заменены другими. Если принять во внимание, что конкрет­ные параметры режимов резания для высокоскоростной обработки, как пра­вило, определяет изготовитель инстру­мента на основе опытных, т.е. эмпири­ческих данных, то можно попытаться исключить эти весьма неоднозначные термины из искомого определения.
Теперь уже, кажется, можно, в по­рядке углубления наших представлений о предмете, предпринять попытку опре­деления интересующей нас технологии, которое может быть, например, таким:
«Высокоскоростная обработка – это технология обработки металлов резани­ем, основанная на комбинации методики применения режимов с ограничением механических усилий резания на уровне эмпирически определяемого оптимума, зависящего от физических свойств обра­батываемого материала и параметров применяемого инструмента, с методикой повышения частоты выполнения эле­ментарных операций, как главного ресур­са увеличения производительности».
Можно попытаться дать и другой, сравнительный вариант определения, в котором заодно уточняется интуитивное понятие обычной (или традицион­ной) обработки:
«В отличие от традиционной техно­логии металлообработки, где для дости­жения максимальной производитель­ности общего цикла обработки исполь­зовалась методика максимизации удель­ной производительности элементарных операций, в высокоскоростной обработ­ке с той же целью применяется методика максимизации частоты выполнения эле­ментарных операций с соблюдением ог­раничения на их удельную производи­тельность на эмпирически определяе­мом оптимальном уровне».
Представляется, что теперь, после оп­ределенной систематизации наших пред­ставлений о высокоскоростной обработ­ке и некоторых терминологических уточ­нений, нам будет гораздо проще сформу­лировать главный вывод из нашего пер­вого знакомства с зарубежным опытом:

«Для получения доступа к преимущес­твам высокоскоростной обработки не обяза­тельно осуществлять значительные инвести­ции в новое и весьма дорогое оборудование. Значительный технико-экономический эффект может быть получен от ее внедрения и в технологическом базисе, изначально ориен­тированном на традиционную обработку, при значительно более низких затратах на необ­ходимое для этого усовершенствование его технологических возможностей».

Рассмотрение проблематики при­способления конкретных компонентов традиционного технологического бази­са к нуждам высокоскоростной обра­ботки и ознакомление с соответствую­щими решениями будет предметом следующих статей цикла.

Григорий Кунец
Журнал «Мир техники и технологий», №6/2004 г.