Фрезерная обработка алюминия: высокоскоростная обработка (HSM)

Алюминий и его сплавы — одни из самых востребованных материалов в машиностроении, авиации, приборостроении и электронике. Их легкость, прочность и отличная обрабатываемость делают их идеальными для создания сложных корпусных деталей, кронштейнов, крыльчаток и многих других изделий. Однако традиционные методы фрезерования часто не позволяют полностью раскрыть потенциал алюминия, особенно когда речь идет о тонкостенных конструкциях или деталях со сложной геометрией. Высокие скорости резания, требуемые для чистовой обработки, могут вызывать вибрации, а большие глубины резания — деформации. Решение этих проблем — технология высокоскоростной обработки (High Speed Machining, HSM), которая произвела революцию в производстве алюминиевых деталей [1]. Компания «БОРИС-88» с 1998 года специализируется на серийном производстве деталей из алюминиевых сплавов, используя современный парк фрезерных станков с ЧПУ, включая 4- и 5-осевые обрабатывающие центры, оптимизированные для HSM. Наше производство расположено в Подольске (Московская область), что позволяет нам оперативно работать с заказчиками из Москвы, области и доставлять готовую продукцию в любой регион России. В этой статье мы подробно разберем, что такое HSM, какие преимущества она дает, какие стратегии и оборудование используются, и как это помогает нам изготавливать качественные алюминиевые детали. Подробнее о наших возможностях вы можете узнать на странице фрезерных работ на станках с ЧПУ и фрезеровки алюминия.

Содержание

• Что такое высокоскоростная обработка (HSM) и как она работает?
• Преимущества HSM при обработке алюминия
  • Влияние на качество поверхности
  • Снижение тепловых и силовых нагрузок
  • Обработка тонкостенных деталей без деформаций
  • Повышение производительности
• Стратегии HSM для алюминия
  • Трохоидальное фрезерование (Trochoidal Milling)
  • Высокоскоростное контурное фрезерование
  • Высокоподачное фрезерование (High Feed Milling)
• Требования к оборудованию и инструменту для HSM
  • Требования к станкам
  • Как выбрать инструмент для HSM алюминия?
  • Оснастка для закрепления заготовок
• Таблицы режимов резания для алюминиевых сплавов
• Оборудование для HSM в «БОРИС-88» (Москва, Подольск)
• Контроль качества при высокоскоростном фрезеровании
• Как заказать фрезерную обработку деталей из алюминия с применением HSM?

Что такое высокоскоростная обработка (HSM) и как она работает?

Высокоскоростная обработка (High Speed Machining, HSM) — это технология механической обработки, основанная на использовании высоких скоростей резания (до нескольких тысяч метров в минуту), малых глубин резания и высоких подач [2]. В отличие от традиционного фрезерования, где основной объем материала снимается за один проход с большой глубиной, HSM использует множество быстрых проходов с малой глубиной и высокой подачей. Это позволяет кардинально изменить физику процесса резания: основная часть тепла уходит со стружкой, а не нагревает деталь и инструмент [3].

Важно понимать, что HSM — это не просто работа на высоких оборотах шпинделя. Это комплексный подход, включающий специальные стратегии обработки (траектории инструмента), оптимизированные под высокие скорости, а также специальные требования к оборудованию, инструменту и программному обеспечению [4]. Классическая теория резания гласит, что при увеличении скорости резания силы резания сначала растут, а затем, после достижения некоторого порога, начинают снижаться [5]. В зоне HSM (для алюминия это скорости выше 1000-1500 м/мин) силы резания могут быть даже ниже, чем при традиционных режимах. Это происходит потому, что материал в зоне резания размягчается за счет локального нагрева, а стружка сходит легче [6].

Преимущества HSM при обработке алюминия

Применение HSM для фрезерования алюминиевых сплавов дает ряд неоспоримых преимуществ [8].

Влияние на качество поверхности

Благодаря высоким скоростям резания и малым глубинам удается получать поверхности с очень низкой шероховатостью (Ra до 0,4-0,8 мкм), часто исключающие необходимость последующей шлифовки или полировки [1]. Отсутствие вибраций и биений при правильно настроенном процессе гарантирует идеальную чистоту.

Снижение тепловых и силовых нагрузок

Как уже отмечалось, основная часть тепла уходит со стружкой, а силы резания невелики. Это позволяет обрабатывать детали с высокой точностью без риска их термической деформации или повреждения [2]. Инструмент также работает в более щадящих условиях, что увеличивает его стойкость.

Обработка тонкостенных деталей без деформаций

Именно в производстве тонкостенных алюминиевых деталей (корпусов, крыльчаток, нервюр) HSM раскрывает свой потенциал наиболее полно. Традиционное фрезерование с большими глубинами резания неизбежно вызывает вибрации и прогибы тонких стенок. HSM с малыми радиальными врезаниями и высокими подачами позволяет "срезать" материал, не оказывая на стенку значительного давления, что исключает деформации [3].

Повышение производительности

Несмотря на малую глубину резания за один проход, суммарная производительность HSM может быть выше, чем у традиционной обработки, за счет огромной минутной подачи (до нескольких тысяч миллиметров в минуту). Кроме того, исключаются или сокращаются операции финишной доработки [4].

Стратегии HSM для алюминия

Современные CAM-системы предлагают широкий арсенал стратегий, реализующих принципы HSM [9].

Трохоидальное фрезерование (Trochoidal Milling)

Это, пожалуй, самая известная стратегия HSM. Фреза движется по круговой траектории, постоянно чередуя врезание и выход из материала [5]. Радиальное врезание очень мало (обычно 5-15% от диаметра фрезы), а глубина резания и подача велики. Это обеспечивает:

• Постоянную толщину стружки.
• Эффективный отвод тепла и стружки.
• Возможность обработки пазов и карманов на полную глубину.
• Снижение нагрузки на инструмент.

Трохоидальное фрезерование идеально подходит для черновой обработки глубоких пазов в алюминии [6].

Высокоскоростное контурное фрезерование

Используется для чистовой обработки сложных поверхностей. Траектория инструмента строится таким образом, чтобы обеспечить постоянный контакт с материалом и плавное изменение направления движения, исключая резкие остановки и скачки подачи [7]. Это позволяет достичь высочайшего качества поверхности.

Высокоподачное фрезерование (High Feed Milling)

Эта стратегия использует специальные фрезы с очень малым главным углом в плане (обычно 10-20°). Силы резания направлены в основном вдоль оси шпинделя, что позволяет вести обработку с экстремально высокими подачами (до нескольких метров в минуту) [8]. High Feed фрезы применяются для высокопроизводительной черновой обработки плоскостей и уступов.

Требования к оборудованию и инструменту для HSM

Реализация преимуществ HSM невозможна на обычном оборудовании. К станкам, инструменту и оснастке предъявляются особые требования [10].

Требования к станкам

• Высокоскоростной шпиндель: частота вращения должна достигать 15 000 – 30 000 об/мин и выше.
• Высокие ускорения и точность позиционирования: современные линейные двигатели и системы управления должны обеспечивать быстрый разгон и торможение для обработки сложных траекторий.
• Жесткость и термостабильность: станок должен быть достаточно жестким, чтобы гасить вибрации, и термостабильным, чтобы сохранять точность при нагреве [9].
• Система подачи СОЖ через центр шпинделя под высоким давлением (для отвода стружки и охлаждения).

Как выбрать инструмент для высокоскоростной обработки алюминия?

Инструмент для HSM должен отвечать строгим требованиям [1]:

• Материал: микрозернистые твердые сплавы, поликристаллический алмаз (PCD) для чистовой обработки.
• Покрытие: для алюминия часто используются инструменты без покрытия или с алмазоподобным покрытием (DLC), снижающим трение и предотвращающим налипание. TiAlN-покрытия для алюминия не подходят.
• Геометрия: полированные стружечные канавки, острые режущие кромки, большой передний угол (15-25°).
• Балансировка: все инструменты для HSM должны быть отбалансированы (класс G2.5 или выше), чтобы избежать вибраций на высоких оборотах [10].

Для наглядности приведем таблицу рекомендаций по выбору инструмента для разных марок алюминия.

Оснастка для закрепления заготовок

• Цанговые патроны высокой точности или гидравлические патроны для надежного и точного зажима инструмента.
• Вакуумные плиты или специальные приспособления для закрепления тонкостенных деталей без деформаций.

Таблицы режимов резания для алюминиевых сплавов

Рекомендуемые режимы для высокоскоростного фрезерования алюминиевых сплавов сильно зависят от конкретной марки, оборудования и инструмента. Приведем ориентировочные значения для цельнотвердосплавных фрез с DLC-покрытием [2, 5].

Для удобства выбора режимов в зависимости от диаметра фрезы можно использовать следующую таблицу (пример для черновой обработки Д16).

Важно: При высокоскоростной обработке расчет минутной подачи (F) и частоты вращения (RPM) ведется по тем же формулам, что и для обычного фрезерования, но с использованием указанных высоких значений Vc. Главная задача технолога — обеспечить постоянную толщину стружки (подачу на зуб) на всех участках траектории [3].

Оборудование для HSM в «БОРИС-88»

Наше производство в Подольске (Московская область) оснащено современными станками с ЧПУ, полностью отвечающими требованиям высокоскоростной обработки (подробнее на странице «Фрезерное оборудование ЧПУ»). В таблице ниже приведены основные модели и их характеристики.

Контроль качества при высокоскоростном фрезеровании

Контроль качества при высокоскоростной обработке алюминия включает [4]:

• Контроль геометрии: микрометры, штангенциркули, нутромеры. Для тонкостенных деталей особое внимание уделяется контролю деформаций.
• Контроль шероховатости поверхности: визуальный контроль и измерение профилометром. Для HSM характерна достижимая шероховатость Ra 0,4-0,8 мкм.
• Контроль плоскостности и параллельности: поверочными плитами, индикаторами.
• Контроль отсутствия налипания: визуальный осмотр на предмет "алюминиевого" нароста на инструменте и детали.

По требованию заказчика предоставляется паспорт качества с протоколами замеров.

Как заказать фрезерную обработку деталей из алюминия с применением HSM?

Для заказа высокоскоростной фрезерной обработки деталей из алюминия отправьте чертежи (PDF, DWG, CDR, KOMPAS) или 3D-модель, укажите конкретную марку материала и требуемый объём партии (минимальная партия – от 100 штук). Наши технологи проведут бесплатный анализ, подберут оптимальную стратегию, инструмент и режимы, подготовят коммерческое предложение.

Производство: Московская область, г. Подольск, ул. Комсомольская, 1. Ежедневно с 7:00 до 19:00 (без выходных). Ориентир в навигаторах: «БОРИС-88 ПОДОЛЬСК».

Офис в Москве: ул. Вавилова, 9А, стр. 6, офис 12. Пн–Пт с 8:00 до 16:00. Ориентир в навигаторах: «БОРИС-88».

Доставка: Мы организуем отправку готовой продукции транспортными компаниями в любой регион России. Также возможен самовывоз со склада в Подольске.

Ссылка на страницу контактов: https://boris88.ru/kontaktyi/

Условия оплаты и доставки: https://boris88.ru/oplata/

Галерея работ: https://boris88.ru/vse-fotografii-nashih-rabot/

Список литературы:

1. High Speed Machining (HSM) for Aluminum: A Comprehensive Guide // Seco Tools. – URL: https://www.secotools.com/

2. The Benefits of High-Speed Machining // Modern Machine Shop. – 2020. – URL: https://www.mmsonline.com/articles/the-benefits-of-high-speed-machining

3. Шустер Л.Ш., Барац Я.И., Смольников Н.Я. Высокоскоростная обработка резанием: монография. – М.: Машиностроение, 2018. – 240 с.

4. Sandvik Coromant. High Speed Machining – definitions and benefits // Metal Cutting Technology. – 2021.

5. Trochoidal Milling: A Smart Strategy for High Efficiency // In The Loupe. – Harvey Performance Company. – 2019.

6. Обработка алюминия: особенности высокоскоростного фрезерования // iskra78.ru. – URL: https://iskra78.ru/obrabotka-aljuminija-osobennosti-vysokoskorostnogo-frezerovanija

7. High Speed Machining (HSM) [Электронный ресурс] // Словарь терминов Sandvik Coromant. – URL: https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/machining-terminology/Pages/high-speed-machining.aspx

8. Шарин Ю.С., Таратынов О.В. Высокоскоростная обработка: состояние, проблемы, перспективы // Вестник МГТУ «Станкин». – 2015. – № 4 (35).

9. CAM-стратегии для высокоскоростной обработки // CIMCO. – URL: https://www.cimco.com/ru/cam-strategies-for-high-speed-machining/

10. Инструмент для высокоскоростной обработки алюминия // Искар. – URL: https://www.iscar.ru