Co lepsze – obróbka szybkościowa (HSM) czy obróbka wysokowydajna (HEM)?

Obróbka szybkościowa (HSM) czy obróbka wysokowydajna (HEM)? Adobe Stock – Andrey Armyagov

Zwiększanie prędkości procesów obróbczych wcale nie musi być najlepszą drogą do wzrostu produktywności. Zależnie bowiem od różnych czynników znacznie lepsza w dłuższej perspektywie może się okazać (konkurencyjna wobec obróbki szybkościowej) obróbka wysokowydajna. Warto zatem dobrze się zastanowić, czy w danym procesie korzystniejsze będzie zwiększanie prędkości obróbki, czy jednak skoncentrowanie się przede wszystkim na wzroście wydajności.

Obróbka szybkościowa i obróbka wysokowydajna są stosunkowo nowymi strategiami skrawania metalu. Zyskują one na popularności m.in. dzięki nowym możliwościom obrabiarek, a także programów CAD/CAM (bardziej precyzyjne ustalanie ścieżki ruchu narzędzia, lepiej dopasowana prędkość czy zmienność posuwu). 

Ich celem jest szybsze usuwanie skrawanego materiału, a dzięki temu właśnie zwiększanie ogólnej produktywności. Dlatego też są to dość zbliżone do siebie koncepcje obróbcze, przez co często są ze sobą mylone, a ich nazwy nierzadko są zamiennie stosowane. W praktyce jednak różnią się wieloma szczegółami oraz wymagają odmiennego podejścia i różnych rozwiązań, jakie wykorzystuje się w procesach obróbczych.

Przede wszystkim duża szybkość obróbki

Obróbka z dużymi prędkościami (high speed machining – HSM) charakteryzuje się przede wszystkim wysoką prędkością obrotową wrzeciona i/lub wysoką wartością posuwu. W obróbce HSM mamy też do czynienia ze znacznie mniejszymi głębokościami skrawania. Dzięki temu właśnie przy wysokiej prędkości obrotowej można dobrać większą szybkość posuwu.

Mówiąc o obróbce szybkościowej, nie sposób jednoznacznie zdefiniować uzyskiwanych prędkości. Ich wartości będą się bowiem różnić zależnie od rodzaju obróbki, obrabianego materiału, użytego narzędzia, a nawet zastosowanego uchwytu. 

Wraz z rozwojem obrabiarek zmieniają się także ich parametry procesowe. Jeszcze jakiś czas temu za dużą prędkość obrotową napędu głównego uważano wartość 10 tys. obr./min. Dziś coraz częściej można spotkać napędy o prędkościach kilkudziesięciu tysięcy obr./min. 

Również uzyskiwana prędkość skrawania jest trudna do jednoznacznego zdefiniowania. Za wysoką można uznać prędkość skrawania, która przekracza np. wartość 1000 m/min. W przypadku trudnoobrabialnych materiałów o dużych prędkościach skrawania można jednak mówić już przy kilkuset m/min. 

Mocno uogólniając, można więc przyjąć, że z dużymi prędkościami skrawania mamy do czynienia wtedy, gdy co najmniej kilkukrotnie przewyższają one prędkość skrawania przy zastosowaniu konwencjonalnych technik obróbczych.

Obrabiarka i narzędzia HSM

Do obróbki szybkościowej niezbędne jest wykorzystanie odpowiednich obrabiarek i narzędzi skrawających. Obrabiarki – poza odpowiednimi parametrami kinematycznymi (prędkością obrotową, prędkością posuwu, przyspieszeniem) – muszą bowiem charakteryzować się odpowiednio dużą sztywnością korpusu, trwałym wrzecionem (które będzie niezawodne przy dużych prędkościach obrotowych), a także dużą dynamiką jednostki napędowej i sterującej.

Narzędzia skrawające, które stosuje się do obróbki HSM, powinny się wyróżniać przede wszystkim dużą twardością ostrza skrawającego. Ponadto wysoka sztywność powinna chronić narzędzie przed obciążeniem dynamicznym, a odporność na wysokie temperatury – przed nadmiernym ścieraniem. 

W obróbce HSM wykorzystuje się zarówno frezy monolityczne, jak i narzędzia składane (o większej średnicy). Najczęściej mamy do czynienia z narzędziami wykonanymi z drobnoziarnistych węglików spiekanych, choć można też spotkać narzędzia ze spieków ceramicznych czy azotku boru. Dla poprawy właściwości skrawnych i wytrzymałości narzędzi często pokrywa się je dodatkowymi powłokami (które powinny być dopasowane zarówno do materiału bazowego, jak i ulepszanych właściwości).

Istotne jest wreszcie również dobranie odpowiednich oprawek narzędziowych. Muszą być dopasowane do dużych prędkości obrotowych, zapewniać wysoką sztywność połączenia narzędzia z wrzecionem i tzw. wibrostabilność, a także skutecznie przenosić moment obrotowy na narzędzie. 

W obróbce HSM kluczowe jest też odpowiednie wyważenie oprawki z narzędziem. Bez tego jakość procesu obróbczego może być dużo niższa, narzędzia mogą się szybciej zużywać, a także może dojść do destabilizacji całego procesu.

Przede wszystkim wysoka wydajność

High efficiency milling lub high efficiency machining (HEM) jest strategią obróbczą, która również może odbywać się przy wysokich prędkościach, stąd wspomniana na wstępie możliwość pomyłki z obróbką HSM. W przypadku obróbki wysokowydajnej to jednak nie wspomniana prędkość usuwania materiału z obrabianego detalu jest kluczowa – istotne jest maksymalne wykorzystanie wartości posuwu i pełnego potencjału narzędzia. To dlatego w procesie skrawania każda krawędź skrawająca usuwa stałą grubość wióra.

W obróbce HEM mamy więc do czynienia z większą głębokością skrawania (ADOC), a jednocześnie z mniejszą głębokością promieniową skrawania (RDOC). Zanurzenie promieniowe waha się od zaledwie kilku procent (np. dla stali hartowanej czy tytanu) do kilkudziesięciu (np. aluminium). Efektem jest wykorzystanie w procesie frezowania znacznie większej powierzchni narzędzia niż w konwencjonalnym skrawaniu, a także jej równomierne zużywanie. 

Niewielka wartość RDOC przekłada się na krótszy czas kontaktu krawędzi skrawającej z obrabianym materiałem, a tym samym na lepsze odprowadzanie ciepła wraz z usuwanym wiórem. Dzięki temu mniejsze jest także ryzyko uszkodzenia narzędzia czy jego szybkiego zużycia. 

Podczas całego procesu podstawowe parametry skrawania są stale modyfikowane, żeby zapewnić stałe obciążenie narzędzia i optymalne odprowadzanie wióra. W tym elemencie obróbka HEM różni się od HSM, w której parametry nie zmieniają się w czasie trwania procesu.

Narzędzia do obróbki HEM

W obróbce wysokowydajnej nie jest ważne samo narzędzie, ale przede wszystkim jego prowadzenie. W teorii więc do obróbki HEM można wykorzystywać niemal dowolne narzędzie skrawające. Najlepsze efekty uzyska się jednak, wykorzystując specjalnie do tego celu zaprojektowane narzędzia specjalistyczne. 

Generalnie jest to technika obróbcza, w której stosuje się frezy o stosunkowo dużej średnicy. Teoretycznie można jednak tę strategię wykorzystywać także z mniejszymi frezami (o średnicy poniżej 3 mm).

Także kształt i geometria narzędzia skrawającego mogą być różne. Zależnie od liczby ostrzy frezy mogą mieć podziałkę rzadką, normalną lub gęstą. Dużo zależy od obrabianego materiału i rodzaju tworzących się wiórów.

Obróbkę wysokowydajną można wykonywać na każdej praktycznie maszynie CNC. Niezbędne są tylko: zaawansowane oprogramowanie CAM, które będzie inteligentnie zarządzać obciążeniem narzędzia (dostosowując np. parametry RDOC), a także odpowiednio szybki sterownik CNC i procesor, które zapewnią odpowiednio szybkie wykonywanie kolejnych operacji.

Korzyści ze stosowania obróbki HSM i HEM

Strategia obróbki z dużymi prędkościami zapewnia korzystne warunki termiczne, niewielkie siły skrawania i wydajne ścieżki prowadzenia narzędzi. Przekłada się także na krótszy czas produkcji, co również oznacza zmniejszenie kosztów. Do jej zalet można zaliczyć także uzyskanie wysokiej jakości powierzchni, dlatego obróbkę HSM często zalicza się do grupy obróbki wykańczającej. W większości przypadków nie ma już potrzeby stosowania po obróbce HSM innych kosztownych procesów wykańczających.

Z kolei do najważniejszych zalet obróbki HEM należą efektywniejsze wykorzystanie potencjału narzędzia skrawającego. Przekłada się to na jego równomierne zużycie i wydłużenie jego żywotności, a tym samym na obniżenie kosztów produkcji. 

Dzięki lepszemu odprowadzaniu wiórów procesy HEM zalicza się do grupy obróbki zgrubnej. Większą wydajność skrawania można uzyskać także, stosując standardowe parametry obróbki jedynie ze zwiększonym posuwem i prędkością obrotową. Współczesne programy CAM ułatwiają programowanie obróbki HEM, zapewniając wybór optymalnej ścieżki narzędzia.

HEM czy HSM?

Wybór odpowiedniej strategii obróbki – czy to opartej na koncepcji HEM, czy na HSM – wymaga pewnej analizy. Zależnie od konkretnej sytuacji zastosowanie jednej czy obu tych technologii obróbczych może się okazać niemożliwe lub nie przyniesie pożądanych efektów. Nie są to bowiem idealne strategie, które można zastosować w każdych warunkach.

Generalnie obróbkę HEM warto stosować wtedy, gdy zależy nam na dużej wydajności procesu i mniejszym zużyciu narzędzi niż w obróbce HSM. Mimo mniejszej prędkości obrotowej wrzeciona oraz mniejszego i zmiennego posuwu frezowanie HEM może także zapewnić krótki czas skrawania. To efekt większej głębokości skrawania w porównaniu z innymi metodami frezowania. Obróbka HEM przynosi najwięcej korzyści przy skrawaniu przedmiotów o dużej objętości materiału.

Zoptymalizowana ścieżka narzędzi w obróbce HEM (mniejsza liczba przejść i cyklów) to wspomniane już wyżej mniejsze zużycie narzędzi (frez pokonuje wyraźnie mniejszy dystans niż przy obróbce HSM), ale także krótszy czas obróbki i mniejsze zużycie obrabiarki. Optymalizacja posuwów prowadzi do obróbki z praktycznie stałą siłą skrawania. Co również istotne, obróbkę HEM można przeprowadzić na obrabiarce, która nie spełnia wymagań dla obróbki HSM.

Nie oznacza to jednak, że obróbka HSM zawsze będzie mniej korzystna. Zwiększając prędkość procesu skrawania, także zwiększamy jego wydajność. Poza tym uzyskujemy dobrą jakość obrabianej powierzchni, która w wielu sytuacjach nie wymaga już użycia dodatkowej obróbki wykańczającej. Należy oczywiście liczyć się z szybciej zużywającym się narzędziem. Dlatego warto stosować w tej obróbce narzędzia o zwiększonej wytrzymałości (np. pełnowęglikowe z dodatkową powłoką ochronną).

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę