Высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ: этапы работы и контроль результатов

Между изготовлением высокоточных деталей и обычной металлообработкой существует значительная разница. Высокоточное производство бывает массовым и единичным. В первом случае прибегают к максимально автоматизированному процессу, оборудование для которого настроено для выполнения конкретных задач и производства определенного типа продукции, при этом операторы установок участвуют в процессе по минимуму. В статье поговорим о том, что такое высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ.

Где используется высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ

Высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ используется в том случае, когда для готовых деталей важны высочайшее качество обработки, точные размеры и неизмененные свойства обрабатываемых материалов. Она находит применение в области высоких технологий, военно-промышленном комплексе, станкостроении, производстве важных или уникальных узлов и деталей, для изготовления деталей из редких металлов и сплавов, которые гарантированно должны сохранять свое качество на протяжении всего срока службы.

С каждым годом сфера использования высокотехнологичных металлоизделий растет, что обуславливает все большее количество заказов и повышение удельного веса подобных деталей в металлообработке в целом.

Наиболее часто к точной обработке прибегают в области инструментального производства. С помощью высокоточной металлообработки на станках с ЧПУ изготавливают штампы, пресс-формы, матрицы и пуансоны.

Для выполнения высокоточной металлообработки используют пятикоординатные фрезерные станки. Благодаря этому оборудованию, повышающему степень свободы и снижающему погрешность готовых изделий до 10 мкм, обработка выполняется быстрее и качественнее. При использовании трехкоординатных станков операции выполняются в несколько подходов, а заготовку необходимо либо переворачивать, либо пользоваться несколькими установками для обработки.

Высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ применяется также в таких отраслях промышленности, как авиакосмическая и нефтегазовая, поскольку там не обойтись без деталей, имеющих сложную конфигурацию.

Необходимую точность детали определяют в предоставляемой заказчиком конструкторской документации (чертежах и/или 3D-моделях). Для выполнения заданных требований необходимо создание технологического процесса применительно к каждому этапу обработки (черновому, чистовому, термическому, прочим операциям) с определением режимов резки, нужных инструментов, способов размещения заготовки на оборудовании, типов и моделей установок.

Использование высокоточной металлообработки на станках с ЧПУ позволяет получить не более 6 квалитетов расхождения и от Ra 0,8 мкм шероховатости. Кроме того, отклонения от заданной формы (в части радиального биения, соосности, круглости, плоскостности и т. п.) не должны превышать 10 мкм.

За счет высокоточного пространственного расположения осей вращения, станки с ЧПУ позволяют обрабатывать заготовки, придавая им идеальную геометрическую форму. Благодаря высокоточным установкам шероховатость поверхности деталей имеет 11 класс чистоты. А при соблюдении определенных условий можно получить значения, отвечающие 1 классу чистоты.

Чтобы получить такую высокую точность, применяют станочные узлы и агрегаты, при изготовлении которых использовались определенные стандарты с минимальной погрешностью производства. Существенную роль играют подшипники. Станки с ЧПУ оснащаются высококлассными гидродинамическими и аэростатическими подшипниками.

В процессе работы установок для металлообработки выделяется большое количество тепла, воздействию которого подвергаются как элементы оборудования, так и сами заготовки. Под влиянием тепла происходит деформация узлов станков с ЧПУ и обрабатываемых деталей, что чревато снижением точности изготовления.

Во избежание таких последствий высокоточные установки для металлообработки дополнены функцией активного отвода тепла, которая не позволяет частям оборудования и заготовкам геометрически отклоняться друг от друга. Положительно влияет на точность обработки и снижение показателя нежелательных вибраций.

На каких принципах основана высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ

В современных станках для металлообработки присутствует три системы – измерительная, вычислительная и исполнительная, каждая из которых допускает определенные погрешности в точности производства деталей.

На точность измерительной системы влияют данные используемых датчиков. Чем более точные датчики (измерительные устройства) применяются, тем меньшей будет погрешность. Современные устройства позволяют сократить ее до нескольких нанометров.

Установки с ЧПУ оснащаются вычислительными процессорами, обладающими высоким быстродействием и способными с большой точностью справляться с множеством задач. Многочисленные параметры (включая многоразрядные числа) просчитываются в режиме реального времени. Достижения электроники позволяют электронным системам выполнять высокоточные расчеты.

На исполнительную точность оказывают непосредственное влияние узлы и агрегаты оборудования с ЧПУ. Использование станков с высокоточными параметрами позволяет снизить итоговую погрешность готовых деталей.

Погрешности, допускаемые при высокоточной металлообработке на станках с ЧПУ, могут быть:

• Геометрическими, которые зависят от качества изготовления элементов оборудования и его сборки. Эти параметры влияют на то, насколько точно располагаются в процессе обработки рабочий инструмент и заготовка.
• Кинематическими, зависящими от того, насколько соответствуют передаточные числа в механизмах станка с ЧПУ. От кинематических цепей зависит точность создания зубчатых деталей, резьбы.
• Упругими, на которые влияют деформации станка. При обработке инструмент и заготовка за счет действия определенных сил отклоняются друг от друга. Чтобы избежать этого, оборудование для высокоточной металлообработки комплектуется особо жесткими конструкциями.
• Температурными, вызванными неравномерным нагревом узлов металлообрабатывающих установок, приводящим к тому, что первичная геометрическая точность теряется, а качество изготовления снижается.
• Динамическими, возникающими из-за колебаний режущего инструмента и заготовок.
• Погрешностями изготовления и установки рабочего инструмента.

В двигателях, редукторах имеются подвижные элементы, которые со временем начинают люфтить и изнашиваются, что не может не сказаться на качестве высокоточной металлообработки. Система «станок – деталь» находится в прямой зависимости от исполнительной точности.

Высокоточная металлообработка на некоторых фрезерных станках с ЧПУ позволяет получить погрешность, не превышающую 0,0002 мм, при этом шпиндель вращается с частотой 15 000 об/мин. Но у такого оборудования есть свои недостатки. Главным из них является цена установок, намного превышающая стоимость обычного оборудования.

Высокая цена обусловлена тем, что в станках используются новейшие технологии. Например, благодаря применению аэростатических направляющих достигается скольжение суппорта с рабочим инструментом на расстоянии нескольких микрон от заготовки. Можно сказать, что он парит над поверхностью детали.

Новейшие высокоточные шлифовальные станки с ЧПУ представляют собой автоматизированные комплексы, благодаря которым погрешность обрабатываемых деталей не превышает 0,01 мм. С их помощью затачивают алмазные инструменты, заготовки из твердых сплавов или инструментальной стали.

Использование ультрапрецизионного шлифовального оборудования позволяет выполнять обработку внутренних и внешних поверхностей заготовки за одну операцию. Высокоточные сверлильные станки, имеющие жесткую конструкцию, дополняются цифровыми индикаторами, показывающими параметры выполняемой операции.

Технология высокоточной металлообработки на станках с ЧПУ

Правильная настройка программного обеспечения позволяет выполнять обработку различных поверхностей заготовок за одну установку.

Фрезерные станки с ЧПУ позволяют:

• зенкеровать детали;
• развертывать заготовки;
• сверлить;
• фрезеровать криволинейные плоскости;
• обрабатывать цилиндрические поверхности.

Такие станки с ЧПУ работают за счет трех или пяти осей. Последние подходят для высокоскоростной металлообработки фасонных поверхностей.

Благодаря большому числу осей заготовки вращаются в конкретном направлении относительно одной оси, при этом сам инструмент продвигается относительно детали. Зачастую имеющая определенный наклон ось шпинделя выступает в качестве пятой координаты.

Радиусные галтели при правильной настройке станков с ЧПУ можно обрабатывать за одну операцию. Это возможно за счет использования специальных концевых фрез, имеющих характерное закругление режущих поверхностей.

Любое фрезерное оборудование с ЧПУ подвержено модернизации, например, путем добавления на рабочий стол поворотного механизма. В таком случае установка подойдет для металлообработки заготовки в пяти разных координатах. К недостаткам модернизации можно отнести уменьшение рабочего пространства фрезерного станка.

Этапы высокоточной металлообработки на станках с ЧПУ

Высокоточная металлообработка на станках с ЧПУ требует ответственного подхода к каждому этапу работы. Для достижения высокой точности необходимо уделить внимание всем нюансам, начиная с качества материалов детали и заканчивая обеспечением показателей точности измерительных приборов.

Техзадания в большинстве случаев включают в себя не только точение и фрезерование, но и термическую обработку, шлифовку и полировку. Кроме того, используют электроэрозионную обработку, при которой форма, размеры и шероховатость поверхности детали изменяется за счет электрических разрядов, возникающих между заготовкой и инструментом. Достоинство такой отделки заключается в возможности работать с любыми проводящими материалами (сталями, алюминием), независимо от того, насколько твердыми они остаются по окончании термической обработки.

Обработка обычно завершается шлифованием, которое влияет на окончательную точность детали.

Кроме шлифования можно использовать полировку, притирку и доводку, также способствующие приданию поверхности детали идеального внешнего вида.

Полировка позволяет убрать мелкие заусенцы, обработать труднодоступные области, снизить шероховатость поверхности до Ra 0,01. Некоторые сферы промышленности (к примеру, радиоэлектроника) не допускают наличия заусенцев, мешающих правильной работе оборудования.

Как контролируют результат высокоточной металлообработки на станках ЧПУ

Для высокоточной металлообработки на станках с ЧПУ большое значение имеет контроль размеров заготовок. Каждое предприятие создает свой отдел технического контроля (ОТК), задача которого заключается в отслеживании качества обработки металла на всех этапах. Проверке подлежит качество материала, промежуточные размеры по окончании каждой операции (точения, фрезерования, шлифования), также выполняют итоговый выходной контроль.

ОТК дает заключение относительно качества готовой детали, соответствия ее требованиям техзадания.

Проверка выполняется при помощи специальных измерительных приборов, точность которых должна превышать точность создаваемых деталей.