Механическая обработка титановых и никелевых жаропрочных сплавов сопровождается колоссальным сопротивлением резанию. Инструмент быстро изнашивается. Технология горячего фрезерования с лазерным подогревом зоны резания LAM решает эту проблему. Локальный концентрированный нагрев слоя припуска перед режущей кромкой фрезы снижает предел текучести металла. Процесс пластической деформации облегчается. Стойкость инструмента и скорость съема стружки возрастают в несколько раз.
Физика снижения сопротивления резанию при нагреве
При нагреве никелевого сплава Inconel 718 до 700 градусов Цельсия предел текучести падает наполовину. Металл становится пластичным. Удельная работа сдвига стружки резко снижается. Оптический луч греет только слой припуска толщиной до двух миллиметров. Глубокие слои заготовки остаются холодными. Это исключает структурные изменения в теле готовой детали и защищает металл от перегрева.
Расчет необходимой мощности лазерного излучения для нагрева локального объема припуска выполняется по формуле теплового баланса:
P_laser = rho_mat * c_p * V_cut * (T_target - T_0) / eta_optгде параметры rho_mat и c_p выражают плотность и удельную теплоемкость металла, величина V_cut задает объемную скорость резания, коэффициент eta_opt учитывает оптическое поглощение лазера.
Оптические лазерные головки с динамической фокусировкой
Обрабатывающие центры для LAM-обработки оснащаются волоконными излучателями мощностью до четырех киловатт. Энергия передается через оптическую головку станка. Световой пучок движется синхронно с фрезой по пяти координатам. Он опережает режущий зуб на два миллиметра. Адаптивные зеркала регулируют размер пятна под ширину фрезерования. Это исключает нагрев чистовых стенок заготовки.
Лазерно-ассистированная обработка требует герметичной защиты кабинета станка с защитным остеклением соответствующего оптического класса и продувки оптики инертным азотом.
Преимущества термически ассистированного фрезерования труднообрабатываемых сплавов включают следующие аспекты:
- Снижение составляющих сил резания на сорок-пятьдесят процентов при черновых проходах.
- Увеличение стойкости твердосплавных и керамических пластин в два-четыре раза.
- Полное подавление низкочастотных автоколебаний и вибраций за счет размягчения металла.
- Возможность прямого фрезерования закаленных штамповых сталей твердостью свыше 60 HRC.
Подобрать оборудование под вашу задачу
Снижение сил резания и автоколебаний инструмента
Падение сопротивления деформированию стабилизирует динамическую систему станка при обработке нежестких деталей. Снижается амплитуда переменных сил, вызывающих выкрашивание кромок фрез из керамики или нитрида бора. Это позволяет увеличивать подачу на зуб без риска поломки пластин. Производительность съема металла возрастает в два-три раза.
- Активация оптического источника и прогрев пятна на заготовке до расчетной температуры за 0.2 секунды.
- Синхронный старт подачи фрезы по траектории управляющей программы с ЧПУ.
- Непрерывный пирометрический контроль температуры нагрева срезаемого слоя в замкнутом контуре.
- Автоматическое отключение луча за полмиллиметра до выхода инструмента из тела детали.
| Обрабатываемый материал | Оптимальная температура нагрева, C | Снижение главной силы резания, % | Рост скорости съема материала MRR, % |
|---|---|---|---|
| Inconel 718 (ХН77ТЮР) | 650 - 750 | 45 | +180 |
| Титановый сплав Ti-6Al-4V | 500 - 600 | 40 | +120 |
| Керамика нитрид кремния Si3N4 | 1100 - 1300 | 65 | +300 |
Термический баланс и защита пластин инструмента
Инженерной задачей процесса выступает надежная защита твердосплавных пластин от перегрева горячей стружкой в процессе непрерывного резания. Скорость подбирают так, чтобы тепло уносилось стружкой до нагрева инструмента. Дополнительно подают охлаждающий углекислый газ CO2 или жидкий азот через тело фрезы на заднюю грань зуба. Это обеспечивает надежный термодинамический баланс процесса.
Криогенное охлаждение инструмента в сочетании с термическим нагревом заготовки гарантирует высокую стойкость режущей кромки.
Подбор мощности лазера и скорости координатных осей
Система ЧПУ вычисляет требуемую мощность излучения в реальном времени, согласуя ее со скоростью подачи станка. При замедлении подачи в углах карманов мощность светового луча автоматически снижается. Это исключает оплавление кромок заготовки. Точный расчет параметров делает лазерное фрезерование эффективным решением для авиационного и ракетного машиностроения.
