Высокоскоростное фрезирование или Высокоскоростная обработка (High Speed Machining), далее ВСФ — одна из новых, наиболее быстро развивающихся технологий, способная радикально увеличить эффективность обработки. Её отличительная особенность — использование повышенной скорости резания до величины, при которой силы резания уменьшаются, что позволяет вести обработку с увеличенными подачами [1, с. 25].

Теоретическое открытие произошло в 1931 г., когда немецкий физик Карл Соломон запатентовал идею (№523594), что при сверхвысоких скоростях резания температура начинает не расти, а снижаться после прохождения критического максимума. Это заложило физическую основу ВСФ. В дальнейшем первые эксперименты стали проводиться в 1950-ых гг.. В СССР и США проводили баллистические испытания, подтвердившие, что на скоростях 40 000–60 000 м/мин можно получить высокую чистоту поверхности и малый износ инструмента .

В Германии (Дармштадтском университете) с 1979 г. начались комплексные работы по внедрению ВСФ в промышленность. Параллельно появился стандарт HSK (полый конус) для надежного зажима инструмента на высоких оборотах . Промышленное внедрение произошло в 1980–1990-е. Технология получила импульс от авиакосмической промышленности (обработка тонкостенных деталей) и производства пресс-форм, где потребовалось высокое качество поверхности без ручной доводки .

В высокоскоростной обработке теоретическим обоснованием являются кривые Соломона (рис. 1), которые показывают снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей. Кривые Соломона имеют три зоны обработки – традиционная, переходная («долина смерти»), высокоскоростная). Но наиболее важным фактором здесь является перераспределение тепла в зоне резания. В данном диапазоне скоростей при небольших сечениях среза масса тепла концентрируется в стружке, не успевая перейти в заготовку — это позволяет производить обработку закаленных сталей, не опасаясь отпуска поверхностного слоя.

Отсюда следует основной принцип ВСО: малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокие обороты шпинделя и высокая минутная подача (рис. 2). Существует рекомендация, что глубина резания не должна превышать 10% диаметра фрезы, но с разработкой новых многозубых фрез для черновой обработки закаленных сталей изготовители инструмента рекомендуют традиционные глубины резания при сохранении малых шагов (рис. 3).

Рисунок №1. Кривые Соломона. Зависимость сил резания от скорости резания

Рисунок №2. Режимы резания для традиционной и высокоскоростной обработки

Рисунок №3. Высокоскоростная обработка

Характерными свойствами ВСФ является то, что до 90-95% тепла уходит со стружкой, а деталь остается холодной. При высоких подачах отношение толщины среза к радиусу скругления режущей кромки становится < 1. Резание происходит в зоне «микро-скругления», что требует высокой геометрической остроты инструмента, но снижает тепловую нагрузку на поверхность .

Далее, процесс переходит из квазистатического в динамический. Материал из-за сверхвысоких скоростей деформации ведет себя как более хрупкий (уменьшается пластическая зона), стружка образуется по механизму сдвига, что снижает налипание (нарост) и улучшает микропрофиль поверхности.

Выбор зоны за критическим пиком (правой ветви кривой Соломона) в качестве целевой области для получения высокого качества поверхности базируется на трех взаимосвязанных физических эффектах:

1. Термодинамический фактор (снижение теплового воздействия):

   В высокоскоростной зоне большая часть тепла (до 90%) эвакуируется со стружкой. Температура в поверхностном слое детали снижается относительно «пиковых» значений, что предотвращает структурные изменения (прижоги), снимает растягивающие остаточные напряжения и исключает адгезионное схватывание (нарост), которое разрушает микрорельеф.

2. Кинематический фактор (стабилизация сил и виброустойчивость):

   При переходе на высокие скорости частота возмущений смещается в область, далекую от собственных частот технологической системы. Это снижает вибрации (исчезает «долина смерти» вибронеустойчивости). Кроме того, снижаются удельные силы резания, что уменьшает упругие деформации в зоне контакта инструмента с заготовкой.

Рисунок № 4. Качество поверхности при возникновении вибрации

3. Масштабный фактор (утончение стружки):

   При сохранении минутной подачи, но росте скорости, толщина среза, приходящаяся на один зуб, становится меньше радиуса скругления режущей кромки. Это приводит к работе в режиме микросрезания и «выглаживания», что напрямую снижает параметры шероховатости (Ra, Rz).

Высокоскоростная зона кривой Соломона обеспечивает синергию снижения температуры, гашения вибраций и уменьшения микронеровностей, что гарантирует получение поверхности высокого качества.

Параметрами качества поверхности являются:

1) Шероховатость (Ra, Rz) — при ВСФ снижается высота микронеровностей за счет малой толщины среза и гашения вибраций. Ra часто достигает значений 0.2–0.4 мкм, что приближает процесс к чистовому шлифованию;

2) Микротвердость — из-за отсутствия сильного тепловыделения и высокой скорости деформации поверхностный слой упрочняется (наклеп) без пережога, что повышает микротвердость на 10–30% относительно сердцевины;

3) Остаточные напряжения — в высокоскоростной зоне в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения (благоприятные), а не растягивающие. Это кратно повышает усталостную прочность детали;

4) Отсутствие дефектов (прижоги, наросты) — благодаря выносу тепла стружкой температура поверхности остается ниже точек структурных превращений — прижоги исключены. Высокая скорость резания подавляет образование нароста, что гарантирует стабильную чистоту поверхности на всей детали.

В контексте высоких скоростей происходит влияние подачи на зуб (fz) и  глубины резания (ap), так называемый эффект «chip thinning» (утонение стружки). При высоких скоростях фактическая толщина стружки становится меньше расчетной подачи на зуб (fz). Это позволяет работать с повышенными табличными подачами, но при этом снижается механическая нагрузка на микрорельеф поверхности. В результате уменьшается высота микровыступов и достигается низкая шероховатость (Ra) без потери производительности.

Высокоскоростная обработка требует минимальных вылетов инструмента и жесткого закрепления заготовки, чтобы вывести собственную частоту системы за пределы частоты возмущения от вращения шпинделя. Это исключает резонанс («дребезг»), который разрушает поверхность. Глубина резания (ap) при ВСФ обычно мала, что снижает силу резания и сохраняет эту жесткость упругой системы.

Для высокопроизводительной обработки деталей металлорежущий станок по силовой и скоростной характеристикам должен соответствовать возможностям режущего инструмента, а сам инструмент — обладать высокими эксплуатационными свойствами, т.е. обеспечивать требуемую допускаемую скорость резания при заданном периоде стойкости [2, с. 1]. При выборе инструмента для ВСФ ключевыми параметрами становится не просто геометрия, а динамическая балансировка, микроструктура твердого сплава и способность к отводу тепла. Следует отдавать предпочтение мелкозернистым и ультрамелкозернистым твердым сплавам. Для финишной обработки закаленных сталей (HRC 48–62) обязательны покрытия на основе AlTiN или AlCrN (высокая жаростойкость, защита от окисления при нагреве стружкой).

Инструмент должен быть сбалансирован до класса G 2.5 (или выше) при заявленных оборотах. Критически важно балансировать узел целиком (оправка + цанга/термопатрон + фреза + гайка). Раздельная балансировка компонентов не гарантирует точное отсутствие дисбаланса в собранном виде из-за допусков посадки. Необходимы фрезы с переменным шагом зуба — это гасит вибрации (гармоники), неизбежные на высоких оборотах (10 000–40 000 об/мин). Также можно использовать инструмент с конической шейкой (конус Морзе) вместо цилиндрической, если есть такая опция. Для глубоких полостей можно использовать цанги с гайкой для высоких оборотов.

Для ВСФ предпочтительны инструменты с радиусом при вершине (R), а не острым углом. Это распределяет тепловую нагрузку и предотвращает микросколы при точечном контакте на высоких подачах. Обязательно использовать гидравлические или термоцанговые оправки, так как стандартные цанги ER на оборотах выше 12 000–15 000 об/мин часто вносят дисбаланс и биение, которое убивает дорогой инструмент за секунды.

Режущая часть может быть представлена следующими материалами:

— CBN (кубический нитрид бора) — для закаленных сталей (>45 HRC) и чугунов, сохраняет твердость при высоких температурах, работая по правой ветви кривой;

— PKD (поликристаллический алмаз) — для цветных металлов (алюминий) и композитов, обеспечивает идеальную чистоту поверхности благодаря сверхвысокой теплопроводности и износостойкости;

— Мелкозернистые твердые сплавы (субмикронные) — для титана и нержавеющих сталей, тонкое зерно (субмикрон) повышает прочность кромки при утонении стружки.

Также используются многослойные нанокомпозитные покрытия (AlTiN, AlCrN), так как они выполняют функцию теплобарьера. Из-за того, что 90% тепла уходит в стружку, покрытие должно защищать основу инструмента от термоударов и диффузионного износа.

Заготовки для высокоскоростного фрезерования должны соответствовать повышенному классу точности, так как в противном случае дефекты поверхности могут привести к высоким и неравномерным нагрузкам на подсистему шпинделя, что вызовет повышенные вибрации всей системы [3, с. 5].В ВСФ точно отбалансированная оснастка — это обязательное условие, а не опция. Без неё невозможно реализовать преимущества высоких оборотов. На оборотах выше 15 000–20 000 об/мин даже микроскопический дисбаланс превращается в разрушительную центробежную силу. Последствиями дисбаланса являются:

— Вибрации и биение — сколы инструмента и низкое качество поверхности;

— Перегрев и ускоренный износ шпинделя;

— Риск вырывания инструмента из цанги на максимальных оборотах.

Для ВСФ существуют разные типы оснастки, но лучше всего поддается балансировке и безопасна на максимальных оборотах — термоцанга. Цельная конструкция, минимальное биение (≤0,003 мм).

Также существуют гидравлическая оправка (хорошее демпфирование вибраций, высокая точность зажима) и цанговые патроны (однако они наименее предпочтительны, так как требуют специальных балансировочных гаек и непригодны для оборотов выше 12 000–15 000 об/мин без индивидуальной балансировки собранного узла).

Рисунок №5. Гидравлическая оправка

Скорость обработки кадров стойкой также критически важна. Стойка должна уметь просчитывать программу вперед на десятки-сотни кадров, чтобы избегать рывков при микротраекториях. Без этого даже мощный станок будет «задумываться» на мелком шаге фрезы, вызывая вибрации и ожоги.

От материалов зависят режимы резания по ним. Рассмотрим режимы для следующих трех материалов:

— Алюминий — скорость резания 500–800 м/мин, глубина резания 0,5–2 мм, ширина 5–15% диаметра, подача на зуб 0,05–0,2 мм. Алюминий хорошо поддается ВСФ, позволяет работать на максимальных оборотах с высокими подачами;

Рисунок №6. Пример обработки алюминия при помощи высокоскоростного фрезерования

— Закаленная сталь — скорость резания 100–250 м/мин (с покрытием AlTiN/AlCrN), глубина резания 0,1–0,5 мм, ширина 3–10% диаметра, подача на зуб 0,02–0,08 мм. Главное ограничение — теплостойкость инструмента и жесткость системы;

Рисунок №7. Изготовление пресс формы из закаленной стали

— Нержавеющая сталь — скорость резания 60–150 м/мин, глубина резания 0,2–0,8 мм, ширина 5–12% диаметра, подача на зуб 0,02–0,06 мм. Требуется снижать подачи из-за налипания и высокой вязкости материала.

Рисунок №8. Изготовление пресс формы из нержавеющей стали

Во время металообработки движения должны быть скругленными, резкие углы и пилообразные движения исключены. Траектория постоянно сглаживается, инструмент не останавливается в углах, а движется по дуге, что предотвращает «врезание» (врезку) в материал и скачки нагрузки на шпиндель. Используются стратегии трохоидального фрезерования или постоянного радиального врезания. Инструмент движется петлями или спиралями, срезая материал тонкой, но постоянной стружкой, а не врезаясь всей шириной фрезы. Такие траектории позволяют работать на максимальных оборотах шпинделя с высокой подачей, отводя тепло со стружкой, снижая вибрации и продлевая срок службы инструмента.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что ВСФ является эффективным методом повышения качества обработанной поверхности. Достижение высокой шероховатости (Ra) и отсутствия дефектов становится возможным благодаря переходу от силового резания к термопластическому, что снижает вибрации и деформации. Подтверждено, что ключевыми факторами являются оптимизация геометрии инструмента, поддержание радиального биения на минимальном уровне и выбор режимов резания (особенно отношения шага к радиусу фрезы). Применение данной технологии позволяет минимизировать или исключить финишные доводочные операции, обеспечивая требуемую точность и эксплуатационную стойкость деталей.