Пятишпиндельный станок от Fives.
Фрезерно-копировальный станок Fives Cincinnati XT оснащен пятью шпинделями для обработки титановых деталей

Новые шпиндельные соединения компании Kennametal повышают надежность и производительность контурно-фрезерного станка Cincinnati для крупносерийного производства титановых деталей.

В период устойчивого развития таких требовательных отраслей промышленности, как производство самолетов гражданской авиации, вся цепочка поставок проходит жесткую проверку. Это обусловлено необходимостью поддержания высоких стандартов качества и соблюдения сроков.

Для машиностроительного предприятия Fives Cincinnati это знакомо: на заводе компании в г. Хеброн, штат Кентукки, производятся многоцелевые станки, системы для намотки композитного волокна и многошпиндельные контурно-фрезерные станки Cincinnati. Согласно утверждениям компании, 650 контурно-фрезерных станков которой работают по всему миру, любой используемый в гражданской авиации реактивный самолет так или иначе был изготовлен с применением технологии контурного фрезерования Cincinatti.

Центр наивысшей активности.
Рабочая зона пятишпиндельного копировально-фрезерного станка Fives Cincinnati XT

Последнее поколение станков Cincinnati XTi с возможностью трех- или пятишпиндельной компоновки с подвижным порталом впечатляет во многих отношениях. Они были спроектированы для предприятий, занимающихся обработкой различных видов материалов. Таким образом, шпиндели с частотой вращения 7000 об/мин могут резать алюминий и сталь, а шпиндели с высоким крутящим моментом (2523 Нм) способны обрабатывать титан и другие твердые сплавы. Более того, компания позиционирует XTi как «единственную многошпиндельную платформу для черновой обработки титана» и утверждает, что их скорость съема металла, составляющая 100 кубических дюймов в минуту, является рекордной в своей области.

Для XTi с перемещением 4267 мм (поэтапно увеличиваемой на 3658 мм) по оси X, 3683 мм по оси Y и 711 мм по оси Z теперь можно выбрать шпиндельные соединения KM4X100 компании Kennametal Inc.

Твердость титана при его контурной обработке или фрезеровании с меньшим или большим шагом постоянно создает трудности в плане съема металла. Повышение эффективности при обработке твердых сплавов предполагает максимальную скорость съема металла, несмотря на значительные усилия и низкую скорость резания.

Соединение для удаления.
Шпиндельное соединение KM4X100 играет важную роль в достижении максимальной скорости съема металла

Компания Fives Cincinnati, как и другие машиностроительные предприятия, ответила на этот вызов повышением жесткости станков и улучшением характеристик демпфирования. Такие улучшения позволили свести к минимуму вибрацию, негативно влияющую на качество деталей, объем выпуска продукции и срок службы инструментов, увеличив при этом производительность. Однако соединение инструмент-шпиндель все еще остается конструктивным элементом, требующим большей надежности и долговечности.

Объем материала, снимаемого во время конкретной операции, определяется надежностью соединения станка и режущего инструмента, которое должно выдерживать высокие нагрузки, оставаясь достаточно прочным даже в случае сильного изгиба инструмента или возникновения колебаний.

Более стабильная скорость съема металла (MRR).
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции KM4X обеспечивает прочное шпиндельное соединение с высокой жесткостью и максимальной стойкостью к изгибающим нагрузкам. Это повышает надежность и производительность станка при обработке твердых сплавов и других материалов

Шпиндели способны передавать определенный момент вращения, при этом силы резания создают также и изгибающие моменты, которые превышают установленные для соединения пределы еще до достижения максимального крутящего момента. Это наблюдается при торцовом фрезеровании, где вылет обычно больше, а ограничивающим фактором является стойкость шпиндельного соединения к изгибу. Например, 80-миллиметровая фреза с винтовыми зубьями и сменными режущими пластинами, выступающая за торец шпинделя на 250 мм, создает изгибающий момент 4620 Нм и крутящий момент до 900 Нм при обработке Ti6Al4V со скоростью 360 см 3 /мин, шириной резания 12,7 мм и глубиной резания 63,5 мм.

Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции, новое поколение шпиндельных соединений KM4X компании обеспечивает надежность, чрезвычайно высокую жесткость и значительную стойкость к изгибающему усилию. В случае с инструментами для обработки титана это подразумевает значительное увеличение производительности станка при обработке твердых сплавов, возможность развития невероятно высокой скорости съема металла и получение большего количества готовых деталей за смену.

Инженер-аналитик Fives Cincinnati Роберт Снодграсс (Robert Snodgrass) совместно с главным менеджером по работе с клиентами компании Kennametal Майком Малоттом (Mike Malott) начал изучать характеристики KM4X примерно 4 года назад. «Инженерная концепция меня поразила, – вспоминает Снодграсс. – Она однозначно дала нам понять, что возможности проектирования станков безграничны: повышенная жесткость шпинделя позволяет не только удовлетворить требования клиентов к более эффективному процессу резания, но и увеличить объем выпускаемой продукции».

Прогресс в контурной обработке.
Процесс контурной обработки титана

Вице-президент компании Kennametal Марк Хастон (Mark Huston) поясняет: «Следует помнить, что типичные элементы конструкции самолетов делают из поковок, снимая значительное количество материала для получения готовых деталей с необходимыми параметрами. Коэффициент использования материала – отношение веса закупленного сырья к весу готовой детали – может быть 4:1, 8:1 и даже больше, в зависимости от детали».

Ввиду своей конструкции и ограничений шпиндельного соединения первое поколение контурно-фрезерных станков Cincinnati обеспечивало скорость съема металла до 4 кубических дюймов в минуту при обработке титановых деталей. Новое поколение станков Cincinnati XT в сочетании с торцевым шпиндельным соединением HSK 125 позволило увеличить эту скорость до 50 дюймов, а с появлением KM4X100 ее удалось удвоить до 100 кубических дюймов в минуту.

«Даже при 100 кубических дюймах в минуту результаты оценочных испытаний станков XT с использованием KM4X были гораздо ниже по сравнению с теоретическими пределами стойкости к изгибающему моменту», – добавил Снодграсс. Отметив, что при тестировании предыдущего поколения использовались резцедержатели с конусом CAT60, он сравнил использование 50-конусной версии с «вождением танка и внедорожника». Соединение KM4X помогло достичь в два раза большей скорости съема металла, чем при использовании 60-конусного резцедержателя. По сравнению с CAT50, HSK100 или KM4X100, CAT60 весит почти в два раза больше.

Максимальный крутящий момент, максимальная мощность.
При тестовом проходе шпиндельное соединение проходит испытание максимальным моментом вращения и силами резания. Однако это не проблема для контурно-фрезерного станка Fives Cincinnati XT со шпиндельным соединением KM4X

Менеджер по продукции компании Fives Cincinnati Кен Уичмен (Ken Wichman) заметил: «Это новое слово в конструировании шпинделей и станков. Во многих портальных станках используется ручная смена инструмента, даже при наличии устройства автоматической смены/магазина. Увеличение стойкости к изгибающему моменту в KM4X позволяет использовать более легкие инструменты, чем в случае с CAT или HSK с таким же пределом стойкости. С точки зрения эргономики это огромное преимущество для оператора. Клиенту, выбравшему автоматическую смену инструмента, KM4X позволит вместить большее количество инструментов в имеющееся пространство».

Высокотехнологичный и сложный процесс, для выполнения которого требуется особое оборудование и специальный инструмент. Это связано с тем, что подобные сплавы обладают высокой упругостью и прочностью, а потому сильно противостоят резанию, сверлению, шлифовке и прочим механическим обработкам. При этом качество соответствующего процесса во многом зависит от характеристик металла и правильного подбора режущего инструмента.

Особенности твердых сплавов

К труднообрабатываемым металлам относятся жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы. Эти материалы представляют собой твердый раствор аустенитного класса, поэтому им присущи такие качества, как высокое сопротивление к коррозии, способность работать в напряженном состоянии на протяжении длительного времени, стойкость к химическому разрушению. Кроме этого, некоторым видам данных металлов присуща структура высокой дисперсности. За счет этого процесс скольжения практически не происходит.

Также усложняется обработка по следующим причинам:

• при резке происходит упрочнение материала;
• сплавы такого характера обладают низкой теплопроводностью, а потому контактная часть обрабатываемой детали и инструмента начинают схватываться;
• сохраняется исходная прочность даже при очень высокой температуре;
• высокая истирающая способность сплавов приводит к образованию включений, которые негативно отражаются на инструменте;
• виброустойчивость металлов обуславливается неравномерное протекание процесса резания, а значит, получить желаемое качество обработки не получится.

Подбор инструмента

Для того чтобы избежать всех вышеописанных проблем и провести качественную обработку твердых сплавов, необходимо в первую очередь правильно подобрать инструмент. Он должен быть изготовлен из металла, который обладает более высокими режущими свойствами, чем обрабатываемая деталь. При этом для предварительной обработки специалисты рекомендуют использовать твердосплавными резцами, а для чистовой - быстрорежущие. К последним относятся стали марок Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9.

Для изготовления инструмента из твердосплавных металлов используют три вида сплавов:

• Т30К4, Т15К6, ВКЗ - износостойкие;
• Т5К7, Т5К10 - отличаются высокой вязкостью;
• ВК6А, ВК8 - нечувствительны к ударам, обладают наименьшим сопротивлением к износу.

Для упрочнения инструментов и повышения их рабочих характеристик дополнительно проводят нанесение второго слоя твердосплавного металла, цианирование, хромирование, плакирование.

СОЖ

Правильный подбор охлаждающих жидкостей и способа их применения - не менее важный процесс в том случае, если необходимо произвести обработку твердых сплавов. Для сверления специалисты рекомендуют использовать материалы на минеральной основе. Особенно они повышают производительность при работе с титаном, который очень сложен в работе. Для токарной обработки легированных сталей подойдет полусинтетические СОЖ, для хонингования и шлифовки чугуна - жидкость без минеральных масел. Также существуют универсальные материалы, которые очень выгодно использовать в том случае, если характер обработки металла постоянно меняется.

Наиболее оптимальный способ подачи СОЖ при работе с твердыми металлами считается высоконапорный, при котором жидкость подается тонкой струей на заднюю стенку инструмента. Не менее эффективными являются распыление жидкости и охлаждение углекислотой. Все это позволяет повысить стойкость инструмента и улучшить качество обработки.

Требования к оборудованию

Оборудование для обработки твердых металлов разительно отличается от стандартных станков. Подобные модели отличаются:

• повышенной жесткостью всех механизмов;
• виброустойчивостью;
• высокой мощностью;
• наличием каналов для отвода стружки;
• особые места посадки для фиксации короткого инструмента.

Инструментальными являются материалы, основное назначение которых - оснащение рабочей части инструментов. К ним относятся инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.

Основные свойства инструментальных материалов

В зависимости от требований к конечному изделию термическая обработка производится различными методами.

Процессы сушки используют при получении конечных полупродуктов в виде гранул, брикетов, а также для обезвоживания растворов, шламов и суспензий; путем последующей досушки, обжига или спекания сгранулированного или сформованного материала получают конечное изделие. В этих случаях закономерности тепло- и массопереноса такие же, как при проведении основных технологических процессов сушки в химической промышленности и при производстве строительных материалов.

В процессе спекания агломератов и сформованных заготовок частицы порошка объединяются в монолитное поликристалличе- ское твердое тело со свойствами, близкими к свойствам компактного материала. Процесс термообработки состоит из двух этапов.

Первыйэтап - удаление технологической связки - происходит при температурах испарения и плавления связующего и завершается при температуре начала спекания частиц порошка. Второй этап - спекание - начинается при температуре, соответствующей взаимному припеканию частиц друг к другу, и продолжается до температуры получения монолитного тела, составляющей примерно 0,8 температуры плавления керамического материала. Режим обжига выбирают исходя из химического и гранулометрического состава шихты из отходов, метода формования или прессования, а также размера и вида изделия.

В процессе спекания исходная шихта (сформованная или спрессованная) представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему с большим запасом свободной энергии.

Процесс спекания условно можно разделить на три стадии.

На первой стадии движущей силой является избыток свободной поверхностной энергии мелкодисперсных частиц, стремящийся за счет возникающего давления сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Частицы скользят по границам зерен, что приводит к уплотнению заготовки и ее усадке.

Навторой стадии происходит припекание частиц в местах контактов, созданных на первой стадии. При обжиге контакты между частицами расширяются, а форма и размеры пор непрерывно меняются. Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. На этой стадии вязкое течение среды определяется механизмом поверхностной диффузии атомов по поверхностям спекающихся частиц к области контактного перешейка.

На третьей стадии в спекающемся теле остаются лишь замкнутые изолированные поры и дальнейшее уплотнение возможно только за счет уменьшения их числа и объема (процесс залечивания). Конечная стадия спекания является наиболее длительной.

Процесс пиролиза находит применение при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий, ТБО и шламов нефтепереработки и представляет собой процесс разложения отходов древесины, другого растительного сырья при их нагревании до температуры 450-1050 °С без доступа воздуха. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, а также твердый угле

родный остаток (древесный уголь при переработке древесины, технический углерод при утилизации покрышек).

В зависимости от температуры нагрева пиролизные установки делятся на низкотемпературные (450-500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературные (до 800 °С) с повышенным выходом пиролизного газа и уменьшенным выходом смол и масел; высокотемпературные (свыше 800 °С) с максимальным выходом газов и минимальным - смолообразных продуктов.

Высокая температура интенсифицирует утилизацию отходов. Скорость реакций с повышением температуры растет по экспоненте, а тепловые потери увеличиваются линейно. При этом происходит более полный выход летучих продуктов и сокращается объем образующегося твердого остатка. При пиролизе нежелателен диапазон температур 1050-1400 °С, поскольку приводит к образованию шлаков, особенно в ТБО.

Процесс пиролиза проводят в печах периодического или непрерывного действия различных конструкций (камерных, туннельных, шахтных, с движущимися слоями) с наружным и внутренним обогревом. На начальном этапе при повышении температуры протекают эндотермические процессы. При нагреве древесины или других растительных отходов до 150 °С удаляется влага, а при температурах 170-270 °С образуются газы СО и С0 2 и небольшие количества метилового спирта и уксусной кислоты. При 270-280 °С начинаются экзотермические превращения. Выход неконденсирующихся газов, таких, как СО и С0 2 , уменьшается и одновременно увеличивается выход других газообразных и парообразных веществ (СН 4 , С 2 Н 4 , Н 2), а также метилового спирта и уксусной кислоты. На скорость процесса влияют размер кусков перерабатываемых отходов, их влажность и температура.

Выходящие из печи газы охлаждают и выделяют из них ценные компоненты. Получающийся древесный уголь используют в производствах активных углей, черных порохов и в других процессах.