Technologiczne Przygotowanie Produkcji
HSM - obróbki szybkościowe - High Speed Machining

HSM – High Speed Machining – podstawy

Obrabiarki HSM (ang. High Speed Machining) względem obrabiarek tradycyjnych dzieli wiele. Na ilustracji 1 przedstawiono obrabiarkę dedykowaną do obróbki szybkościowej (GF Machining Solutions – MIKRON HSM 500 LP). Można mówić o podobieństwach, lecz prawdziwego znaczenia nabiera jakościowy postęp, który umożliwił praktyczne zastosowania tego typu obrbek.

W obszarze obróbek szybkościowym wyróżnia się:

  • HPM (ang. High Performance Machining) – obróbkę wysokowydajną, w której najważniejszym kryterium jest wydajność w usuwaniu materiału z przedmiotu obrabianego w jednostce czasu. Tego typu obróbka jest obróbką zgrubną.
  • HSM – obróbka przede wszystkim wykańczająca, która realizuje również etap obróbki kształtującej.
Wprowadzenie

Pierwsze wzmianki o próbach z zakresu HSM pochodzą z lat 20 ubiegłego wieku – wraz ze wzrostem prędkości skrawania wzrasta temperatura, która po osiągnięciu maksimum przy dalszym zwiększaniu prędkości skrawania spadała. Ówczesne ograniczenia techniczne (napędy główne) nie pozwoliły na dalszą eksplorację.

HSM - obróbki szybkościowe - High Speed Machining - GF Machining Solutions MIKRON

Ilustracja 1. Przykład obrabiarki dedykowanej do obróbki szybkościowej firmy GF Machining Solutions – MIKRON HSM 500 LP.

Definicja obróbek HSM także podlega ewolucji. Uogólniając za obróbkę HSM uważa się taką, która spełnia wszystkie lub mieszane wymagania:

  • obróbka z wysokimi prędkościami skrawania,
  • obróbka z wysokimi prędkościami obrotowymi wrzeciona (napędu głównego),
  • obróbka z wysokimi posuwami,
  • obróbka z wysokimi prędkościami i posuwami,
  • obróbka wysokowydajna.

Ilustracja 2 przedstawia korzyści wynikające ze stosowania obróbek szybkościowych.

HSM - obróbki szybkościowe - High Speed Machining - zalety

Ilustracja 2. Korzyści ze stosowania HSM.

Obróbki szybkościowe wymagają specjalizowanych lub specjalnych obrabiarek (ilustracja 1) w kontekście konstrukcji oraz oprzyrządowania technologicznego. Obrabiarki specjalizowane to obrabiarki CNC z opcją obróbki HSM. Dopiero jednak obrabiarki zaprojektowane specjalnie na potrzeby obróbek szybkościowych pozwalają na pełne wykorzystanie zalet tej technologii.

Skupiając się na samej obróbce nie trzeba wymagać wysokich prędkości obrotowych wrzeciona. Znaczna średnica przedmiotu obrabianego, czy narzędzia (frezu) w określonej konfiguracji niższej
prędkości obrotowej napędu głównego to wyższe wartości prędkości skrawania. Obróbka szybkościowa pozwala na obrabianie materiałów twardych (np. zahartowanej stali), których twardość przekracza 45 HRC.

Zastosowanie

Obróbki szybkościowe pozwalają na obróbkę wykończeniową przedmiotów od małych po duże wymiary gabarytowe i uzyskiwać bardzo wysoką dokładność geometryczną oraz niską chropowatość
powierzchni obrobionej. Stosowanie tego typu obróbek umożliwia zmniejszenie udziału takich obróbek jak szlifowanie, czy EDM. Ilustracja 3 przedstawia opis, zastosowanie i przeznaczenie.

HSM - obróbki szybkościowe - High Speed Machining - opis, zastosowanie, przeznaczenie

Ilustracja 3. Zestawienie opisu, zastosowania i przeznaczenia obróbek szybkościowych.

Definicja

Definiowanie obróbki HSM podlega zmianom. Możliwe jest jednak doprecyzowanie czynników wskazujących czy dana obróbka spełnia kryteria omawianej obróbki:

  • prędkość obrotowa napędu głównego n> 10.000 [obr/min] – obecnie stosowane są już napędy pozwalające na osiągnięcie 60.000 [obr/min],
  • przyjmując umowny wskaźnik definiowany jako iloczyn średnicy wewnętrznej i maksymalnej prędkości obrotowej wrzeciona – jeżeli wartość iloczynu przekracza 2.000.000,
  • częstotliwość wchodzenia ostrzy narzędzia w materiał przedmiotu obrabianego jest zbliżona określonej części (ułamka całkowitego) dominującej częstotliwości drgań własnych układu,
  • stosunek mocy napędu do wartości prędkości obrotowej wrzeciona < 0,0005 [kW/[obr/min]],
  • prędkość skrawania przekracza vc>1000 [m/min] lub inną UMOWNIE przyjętą dla różnych materiałów obrabianych – powyższe wartości uzyskać można podczas obróbki żeliwa, a w przypadku innych materiałów można mówić np. o 300 [m/min].

Pierwsze współczesne przemysłowe aplikacje obróbek szybkościowych znalazły zastosowanie w przemyśle lotniczym. Pozwoliło to na redukcję kosztów produkcji w niektórych przypadkach nawet o
73%. Przy czym uzyskiwane dokładności geometryczne i warstwy wierzchniej obrobionej powierzchni w wyniku zastosowania obróbki HSM pozwoliły nie tylko na skrócenie głównego czasu maszynowego, lecz pośrednio na technologiczność konstrukcji. W konsekwencji siedmiokrotnie zmniejszono liczbę części w danym zespole, a sam montaż trwał 170 razy krócej niż wcześniej. Ten przykład można uznać za ekstremalny, lecz pokazuje jakie bezpośrednie i pośrednie korzyści można uzyskać poprzez stosowanie obróbek szybkościowych.

Obrabiarki

Wysokie parametry obróbkowe w HSM wpływają na konstrukcję samej obrabiarki (ilustracja 1), która powinna cechować się wysokimi parametrami kinematycznymi (prędkość posuwu, prędkość obrotowa wrzeciona, przyspieszenia powyżej 1G). Zapewnienie dokładności obróbki wymaga odpowiednich własności statycznych, dynamicznych oraz cieplnych układu konstrukcyjnego obrabiarki, w tym szczególnie układu nośnego (zespoły korpusu ruchome i nieruchome). Przykładem zespołu ruchomego jest wrzeciennik. Zespoły ruchome układu obrabiarki w kontekście masy maszyny technologicznej mogą mieć nawet 70÷80% udział, co przekłada się na znaczący wpływ na dynamikę obrabiarki. Uwzględniając bezwładność podczas ruchu zespołów należy dążyć do zmniejszania ich masy z jednoczesnym utrzymanie sztywności statycznej układu nośnego. Sprzyja to ograniczeniu występowania odkształceń UOPN (Układ Obrabiarka Przedmiot Narzędzie).

Źródła
  1. Kopac J., Dolinšek S., Technological particularities of high speed cutting, Conference Proceedings. 11th International Scientific Conference Achievements in Mechanical & Materials Engineering
  2. HSM Fundamentals, Spring 2015 America’s EDM Forum Volume 24 / Issue 2
  3. Oczoś K., Wybrane aspekty racjonalnego doboru technik kształtowania wyrobów (głównie ubytkowego), Mechanik 5-6/2008
  4. Morek R., Symulacyjna weryfikacja programu obróbki, Inżynieria Maszyn R. 17, z. 2, 2012, str. 38-49
  5. Galewski M., Rozprawa doktorska. Nadzorowanie drgań podczas frezowania szybkościowego smukłymi narzędziami z wykorzystaniem zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona, Politechnika Gdańska 2007
  6. Honczarenko J, Obrabiarki sterowanie numeryczne, WNT 2008
  7. Materiały handlowe firmy Georg Ficher Machining Solutions

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004 - doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

YouTube

Kategorie