ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ОБРАБОТКА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

HIGH SPEED TREATMENT OF HEAT RESISTANT NICKEL ALLOYS

Tatyana Alekseyeva

master student, Baltic State Technical University "VOENMEKH" named after D. F. Ustinov,

Russia, St. Petersburg

Tatyana Solovyova

master student, Baltic State Technical University "VOENMEKH" named after D. F. Ustinov,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Принципы высокоскоростной обработки. Основные преимущества и недостатки использования высокоскоростной обработки. Факторы, которые необходимо учитывать при высокоскоростной обработке никелевых сплавов. Выбор инструмента, оборудования для высокоскоростной обработки. Требования, предъявляемые к станкам, при использовании высокоскоростной обработки.

ABSTRACT

Principles of high-speed processing. The main advantages and disadvantages of using high-speed processing. Factors to consider when processing nickel alloys at high speed. Selection of tools and equipment for high-speed processing. Requirements for machine tools when using high-speed processing.

Ключевые слова: высокоскоростная обработка; жаропрочные никелевые сплавы; система ЧПУ; режущий инструмент.

Keywords: high-speed machining; heat-resistant nickel alloys; CNC system; cutting tools.

Высокоскоростная обработка (ВСО) - одна из современных производственных технологий для повышения производительности, точности и качества механообработки.

Основная характерная черта ВСО — высокая скорость резания, при которой значительно увеличивается температура в зоне образования стружки, материал обрабатываемой детали становится мягче, и силы резания уменьшаются, что позволяет инструменту двигаться с большой рабочей подачей. Достоинство ВСО заключается не только в сокращении машинного времени за счет интенсификации режимов резания, а в общем облегчении производственного процесса и в улучшении качества обработки. Условием успеха в ВСО является правильный выбор составляющих факторов, участвующих в этом процессе:

• станок,
• система ЧПУ,
• режущий инструмент,
• система программирования с поддержкой ВСО,
• квалификация персонала

ВСО может быть определена на основе доминирующего режима вибрации. Соответственно, ВСО возникает всякий раз, когда частота прохождения зуба приближается к значению доминирующей собственной частоты. То есть ВСО - это процесс, который заменяет меньшее количество более медленных и тяжелых проходов на множество более быстрых и легких проходов.

Скорость резания в основном зависит от следующего:

• Физико-механические свойства материала. Например, скорость резания 30-350 м / мин считается ВСО для жаропрочных сплавов на основе никеля, в то время как для алюминия диапазон ВСО начинается с 1300 м / мин. Также, в зависимости от процесса формирования стружки, ВСО для данного материала может быть определена как скорость, выше которой локализация сдвига полностью развивается в зоне первичного сдвига. На рисунке 1 показан диапазон скоростей для ВСО из различных сплавов. Жаропрочные сплавы на основе никеля имеют самый низкий диапазон, что указывает на то, что их труднее всего обрабатывать на высоких скоростях.

Рисунок 1. Скорость резания при скоростной обработке

• Метод резания. Например, токарная обработка (120 м / мин и выше), фрезерование и сверление (350 м / мин и выше).
• Используемый материал режущего инструмента. Например, SiC WRA (оксид алюминия, армированный нитевидными нитями из карбида кремния), сиалоны (оксинитрид кремния и алюминия). SiC WRA используются на скоростях на 25-50% больше, чем у инструментов из сиалоновой керамики.
• Используемый станок. Например, мощность, скорость и подача. Отношение мощности двигателя шпинделя к его максимальной скорости вращения составляет от 183 до 368 Вт / об / мин для обычных станков, в то время как для высокоскоростных станков типичные значения составляют 3,6 Вт. / об / мин или меньше. Также в зависимости от размера конуса хвостовика, соединения держателя инструмента, шпинделя диапазон скоростей для ВСО варьируется. Для конуса ISO 40 скорость составляет от 20 000 до 32 000 об / мин, а для конуса ISO 50 (больший диаметр) будет от 10 000 до 15 000 об / мин.

Достоинства и недостатки ВСО

Ниже приведены основные преимущества использования HSM:

• Высокая производительность съема материала, приводящая к повышению производительности в целом и лучшему использованию станка.
• Более низкие силы резания и минимальная деформация детали. Например, средние силы резания в диапазоне 200-300 Н на скоростях 700 м/мин, что ниже средних усилий, получаемых на низких скоростях при обработке никелевого сплава.
• Более качественная и точная обработка поверхности, приводящая к повышению качества детали. Например, значения шероховатости поверхности Ra = 0,7 мкм получаются при концевом фрезеровании никелевого сплава при скорости резания 1000 м/мин.
• Лучшее удаление стружки и меньшее количество заусенцев. Например, при обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе на скорости более 120 м/мин с использованием керамических инструментов образуется более мелкая сегментированная стружка, которую легче удалить.
• Сокращение различного режущего инструмента, поскольку черновая, получистовая обработка и чистовая обработка могут выполняться одним инструментом.

Все эти преимущества привели к использованию ВСО при производстве компонентов силовых установок для авиационных двигателей.

Основным недостатком ВСО является высокая скорость износа режущего инструмента, в котором используются дорогие керамические материалы. Также требуется балансировка фрез. Высокая стоимость станков для ВСО обусловлена наличием дорогих высокоскоростных шпинделей и систем управления, которые должны иметь возможность быстрой регулировки.

Требования к станкам:

1. Точность:

• Жесткость - Станок должен иметь жесткое основание, фундамент и стол, чтобы избежать вибрации, которая очень опасна для керамических инструментов.

• Станок должен иметь HSK держатель, представленный на рисунке 2, обеспечивающий зажим в отверстии шпинделя и на торце, а также не терять контакт за счет центробежной силы. Таким образом, зажим обеспечивает высокую статическую и динамическую жесткость, высокую радиальную и осевую точность повторения, малую массу и длину хода, что делает его подходящим для высокоскоростной обработки.

• Более быстрый отклик органов управления станком.

Рисунок 2. Полый держатель с мелким конусом (HSK)

2. Мощность:

• Требуемый крутящий момент и мощность - станок должен обеспечивать не менее 40 Нм при 5000 об/мин, что может удовлетворить большинство требований к крутящему моменту при обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе. Требуемая мощность для жаропрочных сплавов на основе никеля самая высокая среди всех материалов, кроме оцинкованных сталей и тугоплавких сплавов(тантал). Обычно станки с мощностью шпинделя 22 кВт или выше, с высокими характеристиками крутящего момента, скоростью вращения 10 000 об / мин и скоростью подачи 10 м / мин могут выполнять высокоскоростное фрезерование закаленного никелевого сплава.

3. Производительность:

• Станок должен иметь встроенные средства измерения для контроля процесса обработки.

• Возможность быстрой смены инструмента, так как пластины изнашиваются быстрее.

• Высокая скорость ускоренного хода

• Хорошая система удаления стружки, так как стружка производится быстрее в ВСО. Исходя из этого пункта предпочтительнее горизонтальные станки, потому что стружка легко удаляется.

• Датчики и диагностика для обнаружения поломки инструмента — это важно, поскольку поломка инструмента может повредить обрабатываемую деталь.

• Абсолютно безопасная изоляция рабочего пространства.

4. Гибкость:

• Конструкция станка должна иметь легкую адаптацию к любому изменению в производственной линии. Некоторые из новейших станков имеют сменные шпиндели (как и при смене инструмента), которые можно использовать для различных применений.

Стоимость высокоскоростных обрабатывающих центров/фрезерных станков обычно начинается от 490 000 долларов США и может доходить до 2 миллионов. В настоящий момент очень немногие станки на рынке могут соответствовать требованиям ВСО сплавов на никелевой основе.

Список литературы:

1. S. Ashley, High Speed Machining Goes Mainstream, Mechanical Engineering, May (1995), 56-61.
2. J. Tlusty, High Speed Machining, Annals of the CIR, VoI.42/2, (1993) 733-738.
3. Application of WG-300 Whisker-Reinforced Ceramic/Ceramic Composites, Greenleaf Corporation, Publication no. WG300-2-5-L6-MC, (1995)
4. T. Kitagawa, A. Kubo and K. Maekawa, Temperature and Wear of Cutting Tools in High Speed Machining of Inconel 718 and Ti-6AI-6V-2Sn, Wear, Vo1.202, (1997), 142-148)
5. Силин С. С., Макаров В. Н., Проскуряков С. Л. Аналитическая модель процесса резания при высокоскоростной обработке жаропрочных сплавов // Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения: Тез. докл. Росс. науч.-техн. конф. Ярославль, 1988. С. 21–23.