Vysokorýchlostné obrábanie (HSM) je dôležitá technológia široko používaná v modernej technológii frézovania. Aplikáciou technológie frézovania HSM je možné nielen frézovať rôzne mäkké a tvrdé materiály, ale aj dosiahnuť vynikajúcu presnosť obrobku. Tento článok popisuje požiadavky HSM na nástroje a držiaky.
1. Požiadavky HSM na rezné nástroje
1. Geometria
Vibrácie nástroja priamo ovplyvňujú kvalitu povrchu získanú obrábaním. Preto je mimoriadne dôležité udržiavať rovnomernú reznú silu na nástroj počas dokončovania HSM, aby sa zabránilo vibráciám nástroja.
Vplyv susedných geometrických charakteristík nástroja na reznú silu:
• Dobrá sústrednosť uľahčuje rovnomerné rozloženie zaťaženia na reznú hranu
• Väčšie prekrytie reznej hrany pre rovnomerné charakteristiky reznej sily (väčší uhol skrutkovice a počet drážok)
• Krátka dĺžka rezu pre lepšiu tuhosť (priemer hriadeľa je o niečo menší v porovnaní so strmými stenami stroja)
• Najlepší stav prierezu jadra s minimálnou koncentráciou napätia vo vrube
Vysokopevnostné materiály je možné spracovávať pomocou HSM, čo znamená, že odolnosť proti deformácii sa zvyšuje s tvrdosťou spracovávaného materiálu. Zvýšené zaťaženie reznej hrany vyžaduje stabilný návrh geometrie reznej hrany. Pri vysokej reznej rýchlosti však bude vo voľnej oblasti povrchu obrobku vznikať viac trecieho tepla, čo znamená, že uhol hriadenia nástroja sa musí zmenšiť. Zvýšenie stability reznej hrany je preto možné dosiahnuť iba znížením uhla skosenia. V prípadoch, keď je materiál veľmi tvrdý a materiál nástroja je krehký, môže to mať za následok dokonca negatívny uhol skosenia.
Presne padnúce polomery sú brúsené na špičke čepele, aby sa predišlo rozžeraveniu alebo čiastočnému zlomeniu ostria pri náhlom zahriatí.
Ak sa požaduje, aby presnosť tvaru obrobku bola veľmi vysoká, polomer guľovej časti použitého dokončovacieho nástroja má priamy vplyv na presnosť tvaru obrobku, ktorý sa má spracovať. Preto je ako základná podmienka veľmi dôležité používať nástroje s veľmi malými toleranciami polomeru (v mikrónovom rozsahu) pri dokončovaní veľmi jemných dielov.
2. Materiály a nátery
Materiál nástroja musí byť tvrdší ako materiál, ktorý sa má obrábať. Čím väčší je rozdiel tvrdosti medzi materiálom obrobku a materiálom nástroja, tým menšie opotrebovanie nástroja a dlhšia životnosť nástroja. Kvôli vysokým lokálnym teplotám je potrebné zabezpečiť aj odolnosť materiálu nástroja voči oxidácii.
Veľké výkyvy v tepelnom zaťažení a potreba odolnosti materiálu nástroja voči oxidácii vedú k prípadnej potrebe povlakov na jemnozrnné telá nástrojov z karbidu volfrámu.
Osvedčené náterové systémy ako TiN, TiCN a TiAlCN rýchlo dosahujú svoje limity pri spracovaní HSM. Preto boli vyvinuté viaczložkové náterové systémy na báze nitridov s vysokým obsahom hliníka v kombinácii s ďalšími prvkami ako ytrium, vanád alebo tantal. Vyšší výkon je možné dosiahnuť aj použitím nanovrstvových štruktúr, CBN a PKD.
2. Požiadavky HSM na držiaky nástrojov
Vzhľadom na vysoké otáčky vretena vyžadované pri obrábaní HSM je najlepšie použiť systémy držiakov nástrojov HSK-A a HSK-E. Keďže je príruba držiaka nástroja namontovaná na hlave vretena, držiak nástroja má definovanú mechanickú oporu v smere Z, takže pri vyšších rýchlostiach nedochádza k jeho vťahovaniu do vretena v dôsledku zvýšených odstredivých síl.
Zásadné chyby sa mohli vyskytnúť už vo fáze prípravy procesu, čo znemožňuje menšie vibrácie a bezpečné riadenie procesu. Na dosiahnutie stabilného HSM obrábania je nevyhnutné podľa potreby vyvážiť a skontrolovať zarovnanie zostavy nástroja a držiaka nástroja. Musí sa zvážiť aj limit rýchlosti otáčania spojený s nevyváženou hmotnosťou.
Zle vyvážený alebo nesprávne nastavený rotačný nástrojový systém bude mať za následok:
• veľmi zlá kvalita povrchu
• veľmi nízka životnosť nástroja
• Nízka stabilita a bezpečnosť procesu
• Možné poškodenie frézovacieho vretena
Nevyváženosť a odchýlka od ideálnej sústrednosti spôsobená náhlymi zmenami v procese možno veľmi jasne vidieť na schéme nižšie:
Žiadna odchýlka v porovnaní s dokonalou sústrednosťou: menšia teoretická drsnosť
Odchýlka od dokonalej sústrednosti: väčšia teoretická drsnosť
Vyvažovacia hmota má dôležitý vplyv na dynamický výkon celého rotačného systému.
Nevyváženosť je ekvivalentná rotácii excentrického objektu. Toto excentrické teleso môže vyvolať odstredivú silu, ktorá sa zvyšuje kvadraticky s rýchlosťou otáčania. To znamená, že tá istá nerovnováha vyvoláva 441-krát väčšiu odstredivú silu na vreteno pri 42,000 ot./min. ako na vreteno pri 2,000 ot./min (212=441). Preto má nevyváženosť usporiadania držiaka nástroja pri vysokorýchlostnom obrábaní obzvlášť výrazné nepriaznivé následky.
Použitím technológie upínania nástrojov v HSM môžete použiť držiaky nástrojov s:
• Klieštiny a
• Reduktory
Alternatívne systémy, ako sú konektory Weldon, sa neodporúčajú, pretože majú značné nevýhody pri spracovaní HSM.
Vďaka dobrým tlmiacim vlastnostiam klieštinových držiakov, ktoré poskytujú dobré výsledky počas procesu hrubovania, spolu s redukčnými spojmi možno dosiahnuť veľmi vysoký stupeň tuhosti a opakovateľnosti. To je nevyhnutné na získanie dokonalého povrchu obrobku. Použitie redukcií umožňuje dosiahnuť veľmi presnú sústrednosť (odchýlka menšia ako 0,003 mm) a vysoký prenosový krútiaci moment.
Konštrukčná štruktúra rôznych redukčných držiakov nástrojov: prenosový krútiaci moment závisí od konštrukcie upínacieho zariadenia; rôzne konštrukčné štruktúry, môžu byť veľmi odlišné.
