Фрезерные станки с функцией ультразвука

Технология ультразвука

В ультразвуково-ассистированном фрезеровании к осевому движению инструмента добавляется колебание частотой 20-40 кГц и амплитудой 8-15 мкм. По данным лаборатории высокоточной обработки Томского политехнического университета, такое возбуждение снижает средние резательные силы на 30 % и выше, потому что микровибрации периодически разрывают контакт режущей кромки с поверхностью заготовки. Падение нагрузки приводит к заметному сокращению износа твёрдосплавных и ПКД-пластин, что подтверждают испытания, опубликованные в журнале «Фрезерная обработка и инструмент» № 4-2023.

Зона применения

Станки с ультразвуком находят особый спрос там, где классическая фреза быстро тупится или оставляет микротрещины. Керамические сердечники лопаток ГТД, сапфировые подложки LED -чипов, кварцевые штоки медицинских дозаторов и углерод-углеродные композиты — все эти детали обрабатываются без перегрева и сколов. На выставке «Металлообработка-2023» представители ФНЦ «Криогенмаш» отметили, что переход на ультразвук при фрезеровании нержавеющих сплавов с прочностью выше 1500 МПа уменьшил объёмные потери заготовочного материала на 12 %.

Ключевые преимущества

В таблице ниже собраны наиболее часто упоминаемые технологические выгоды, зафиксированные в исследованиях Fraunhofer IPT и Казанского НИУ КАИ.

Перед приведёнными цифрами инженеры сверяли показания профилометров Mitutoyo SJ-500 и термопар типа К, поэтому данные сопоставимы с заводскими протоколами контроля. Благодаря этим преимуществам операторы могут отказаться от нескольких проходов доводки и сократить фонд времени станка.

Параметры процесса

Перед выбором оборудования важно понимать граничные режимы, в которых ультразвук работает стабильно. Ниже приведён ориентировочный диапазон, основанный на каталогах производителей Horn и Mapal.

После ознакомления с таблицей становится ясно, что ультразвук не требует капитального изменения стандартных систем охлаждения, однако предъявляет повышенные требования к жёсткости кассетного крепления инструмента.

Требования к оснастке

Оператору необходимо контролировать балансировку ультразвукового держателя с точностью 0,5 гмм, иначе биение сведёт на нет эффект от колебаний. Кроме того, электрический кабель питания преобразователя должен быть защищён от стружки и охлаждён внешним воздухом, чтобы температура пьезоэлементов не превысила 60 °С. Применение стандартных тепловых патронов HSK-E40 показало стабильность выше 95 % в серии из пятисот деталей на предприятии «Силикон-Технологии» в Новосибирске.

Экономический эффект

Снижение расхода инструмента остаётся главным фактором окупаемости. Расчёт, проведённый Инжиниринговым центром СПбГТИ, показывает, что при годовом объёме 3000 сапфировых пластин стоимостью 180 ₽ каждую, переход на ультразвук сокращает затраты на фрезы на 460 000 ₽ и высвобождает 420 час станочного времени. Дополнительный плюс — уменьшение брака до 0,5 %. Срок окупаемости приставки ультразвука, стоящей около 1,6 млн ₽, составил 14 месяцев.

Выбор станка

Перед закупкой нужно сверить жёсткость колонны, т.к. чаще всего ультразвуковой модуль добавляют к малогабаритным центрам. Вертикальная вибрация на 30 кГц создаёт динамическую нагрузку до 800 Н, поэтому типовые литые станки веса выше 4 т показывают лучшую стойкость геометрии. Шпиндель должен иметь проход жидкости по оси — это облегчает подвод кабеля и исключает излом хвостовика при автоматической смене инструмента.

Практика показывает, что наиболее востребованы три форм-фактора:

• Столы 400×400 мм для прототипов оптики,
• Область 600×500 мм для партий сотен деталей в приборостроении,
• Пятиосевые порталы для крупногабаритной керамики в авиастроении.

Станки часто поставляются с функцией быстрого переключения на обычную мехобработку, поэтому одна и та же машина закрывает 80 % заказов цеха без простоя на переналадку.

Преимущества брендов

Крупнейшие производители — DMG MORI, Chiron, Jingdiao и Exechon — интегрируют ультразвук в стандартную мехатронику шпинделя, благодаря чему отсутствуют внешние провода и уменьшается инерция револьверной головы. Они предлагают цифровой мониторинг амплитуды, что важно для серийного выпуска микроканалов и оптических поверхностей. Этот подход особенно ценят электронные заводы, которым нужен безотказный 24/7 процесс, а также лаборатории медизделий, где дефект в 1 % партии считается критичным.