Механична обработка на трудно обработваеми материали

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2014

Механична обработка на трудно обработваеми материалиМеханична обработка на трудно обработваеми материали

Oбикновено закалените детайли като зъбни колела, валове и лагерни гривни с твърдост в диапазона 45-65 по Рокуел (HRc) се шлифоват за постигане на необходимите допуски по отношение на геометричните размери и повърхностната грапавост. Доскоро механичната обработка на детайли от закалени материали не попадаше в приложенията на режещите инструменти от конвенционални карбиди. Металорежещите машини със стандартна коравина на конструкцията и висока скорост на шпиндела също бяха неподходящи за работа с трудно обработваеми материали.

С подобряването на коравината на високопроизводителните CNC металообработващи и металорежещи машини и използването на инструменти от кубичен борен нитрид (CBN) и керамика, струговането на трудно обработваеми материали е все по-широко приложимо и успешно се използва за производството на сложни детайли на един преход и за постигане на нужните размери и качество на повърхностите, получавани традиционно чрез шлифоване. След струговане на трудно обработваеми материали в повечето случаи не се изисква шлифоване за финишна обработка.

Под струговане на трудно обработваеми материали обикновено разбираме обработването на детайл или прътов материал с твърдост над 45 HRc на струг или стругов център. Тайната на успешното струговане на трудно обработваеми материали е високата скорост при повърхностната окончателна обработка.

При фино струговане на стоманен вал със скорост 120 m/min и 0,2 mm дълбочина на рязане, твърдостта от 60 Rc ще намалее до стойност между 30 и 40 Rc. Цялата генерирана при такава скорост на рязане топлина се концентрира в стружките и се отделя заедно с тях от процеса, без да засяга изходния продукт.

С увеличаване на скоростта този ефект на отгряване нараства, а твърдостта на стружките допълнително намалява. При по-висока скорост на струговане машината обработва повече детайли, преди да се наложи смяна на твърдосплавната пластина, а по-голяма част от топлината се отвежда далеч от детайла заедно със стружките. Параметрите на рязане са показани в таблица 1.

Предимства
Струговането на трудно обработваеми материали осигурява 3 пъти по-бърза обработка от шлифоването и намалява енергията, изразходвана за обработката на един детайл до 5 пъти в сравнение с шлифоването. По приблизителна оценка шлифоването излиза около 2 пъти по-скъпо от струговането на трудно обработваеми материали.

Един CNC струг струва приблизително наполовина на CNC шлайфмашина, а е и по-евтин за поддръжка. В допълнение, CNC струговете са много по-универсални и могат да извършват пълна обработка на повърхностите с една настройка и без подмяна на инструментите.

Същото приложение може да изисква повече от една настройка на една шлайфмашина или повече шлайфмашини, където подмяната на инструментите отнема и повече време. Отсъствието на шлифовъчен прах прави процеса много по-екологосъобразен.

Чрез струговане на трудно обработваеми материали понастоящем може да се поддържа допуск на размера от +/- 0,01 mm или дори по-малко при дълги производствени серии и да постигне повърхностна грапавост, по-малка от 0,3 микрометра.

Машини
Изисква се прецизен струг или стругов център, който да извършва обработка по много повърхнини с едно закрепване на заготовката, като осигури сходни параметри на произведените детайли. За струговане на детайли от трудно обработваеми материали може да се използва един CNC струг с цангов патронник, вместо за такова струговане да се конфигурират всички машини. Всеки добре поддържан 2-осен струг с ЦПУ със здрави държачи за инструменти и патронници може да се окаже подходящо решение за струговане на трудно обработваеми материали.

Нарастваща тенденция е струговането на трудно обработваеми материали да се извършва на малки стругове с многоножови държачи. Тъй като повечето от приложенията, свързани със струговане на трудно обработваеми материали, изискват изработка само на няколко елемента по детайлите, конфигурация от 2 до 5 инструмента обикновено е достатъчна.

Такава конструкция осигурява много предимства: малка дължина на инструментите извън държача, балансирани сили на рязане в различните направления и по-малко лагерувани повърхности. Прецизността при многоосно позициониране се подобрява благодарение на редица допълнителни възможности като осигуряване на маслена баня за стабилизиране на температурата на сачмено-винтовата двойка по ос X и поддържане на ниски и постоянни стойности на триенето по цялата дължина на хода.

Добре проектираните корпуси понякога могат да осигурят по-висока устойчивост и коравина в сравнение с много по-масивни машини. При CNC оборудването от висок клас субмикронното програмиране осигурява най-малко 10 пъти по-фина резолюция, отколкото при масово използваните CNC решения и подобрява повърхностните обработки с най-малко 30% при интерполация по две оси на траекторията на инструмента както при прави линии, така и при сложни контури.

Новите металообработващи машини със субмикронно програмиране и редови многоножови държачи осигуряват допуски от 0,008 mm при висока степен на възпроизводимост на процеса.

Тъй като и най-добре проектираното и изпълнено предно стругово седло със зъбни предавки изпраща осезаеми вибрации към мястото на обработка, понякога за приложения, изискващи фина повърхностна обработка на детайлите, се предпочита ремъчно задвижване на шпиндела. Тъй като ротационните скорости на вретената при струговете за обработка на трудно обработваеми материали са значително по-високи, патронниците трябва да са допълнително балансирани.

Приспособленията за захващане на детайлите също изискват специално внимание в съответствие с конфигурациите от обработвани компоненти. В някои случаи държач със зъбна двойка, монтиран към предната страна на патронника, се използва за постигане на концентрично съосяване на отвора на зъбното колело към идеалния център. Това намалява шума при работа на предавката.

Приложения
Струговането на трудно обработваеми материали е подходящо решение за увеличаване на гъвкавостта и производителността на металообработката. При сложни детайли, чиято изработка изисква използването на профилни шлифовъчни дискове за постигане на нужната форма или контур, както и голям брой отделни настройки за цялостно шлифоване на всички повърхности, струговането на трудно обработваеми материали се явява добър алтернативен подход. Лагери, зъбни колела и валове от закалена стомана вече масово се изработват посредством струговане.

Режещи инструменти
Керамичните режещи инструменти и инструментите от кубичен борен нитрид (CBN) са най-често използваните за струговане на трудно обработваеми материали. Следващата таблица представя сравнение на свойствата на двата материала за инструменти, както и тези на волфрамов карбид за справка.

Керамичните пластини (вложки) от диалуминиев триоксид и титанов карбид (Al2O3+TiC) осигуряват оптимална производителност при непрекъсната обработка с висока скорост в приложения за струговане на трудно обработваеми материали. Високата скорост се задава, за да се генерира висока температура в точката на обработка, която да разкали материала на детайла и да улесни отнемането му.

Такива високи температури са отвъд термичния толеранс на синтерования карбид, следователно инструментите от такъв материал биха се деформирали при струговане на трудно обработваеми материали. Пластини, изработени от сплав на алуминий и титанов карбид (Alumina-TiC), с подходяща подготовка на остриетата, биха могли да осигурят по-добри резултати при високи температури.

С подходяща негативна геометрия (T-land) на инструмента често възникващите вдлъбнатини се образуват далеч от режещия ръб. Такива геометрии насочват тангенциалните режещи сили в керамиката под ъгъл, който я подлага повече на натиск и по-малко на опън. Отрицателното скосяване компенсира ниската устойчивост на напречно пропукване на керамиката. Опитите с различни геометрии, инструменти и режещи повърхности са най-сигурният начин за откриване на оптималната конфигурация за всяко приложение.

Пример за това е изработката на главина от легирана стомана, закалена до твърдост 58-60 Rc, чрез струговане. Детайлът се обработва със скорост 100 m/min, подаване 0,15 mm на оборот, дълбочина на рязане 0,35 mm, с 13 mm дължина на челосване и 8 mm на надлъжно струговане.

При първоначално използваната скъпа хонингована пластина от кубичен борен нитрид след първите 500 детайла тя трябва да бъде сменена поради поява на вдлъбнатини и неравности, които влошават качеството на повърхността на детайла. Замяната на инструмента с друг тип вложка от сплав на алуминий и титанов карбид, която е изработена с отрицателна T-образна геометрия, повишава рандемана до 600 детайла преди подмяна. С добавяне на 0,03-0,05-милиметров хонигован ръб на T-образната геометрия, средният рандеман на вложка нараства на 1200 детайла.

В сравнение със струговането, фрезоването на твърди материали изисква по-високи скорости на шпиндела, за да се постигне същата повърхностна скорост. При керамичните инструменти целта е да се генерира необходимото термично ниво за всяка вложка. Следователно, при фрезоването пластината трябва да се движи много по-бързо, за да генерира топлина, еквивалентна на едноточков стругов инструмент.

Скоростта на обработка при фрезоването се увеличава за постигане на по-ефективна обработка. Подобно на това, при прекъсната обработка (например изработка на шлици на вал) повърхностната скорост се удвоява за компенсиране на нарушената цялост на повърхността и генериране на оптимална температура за керамичните вложки.

По-висока коравина на държача за инструменти, по-устойчива форма на вложката и по-голям радиус на ъгъла подобряват ефективността на операциите с керамични инструменти. Други практики, като увеличаване на дълбочината на обработка за сметка на броя цикли на обработка, също биха могли да повишат производителността на керамичните пластини.

Кубичният борен нитрид (CBN) е друг често използван материал за инструменти, предназначени за струговане на трудно обработваеми материали. Той е много по-ниско реактивен с феросплави. Инструменти с приблизително 50-процентно съдържание на CBN се използват масово за струговане на трудно обработваеми материали.

Цените на такива вложки значително намаляха през последните години и ги превърнаха в ценово ефективно решение. Паралелно с това се правят забележителни подобрения от производителите в инструментите за различни приложения. CBN има по-висока устойчивост на удар и счупване и не изисква толкова голяма коравина на машината. Това прави вложките от този материал много по-подходящи за прекъсната обработка, включително изработването на шлици и пробиването на отвори и шпонкови канали.

Вложките за обработка на трудно обработваеми материали с отрицателни ъгли (rake angle) осигуряват необходимата здравина на режещите ръбове. За да се увеличи производителността на една такава вложка, ръбът на инструмента от кубичен борен нитрид има нужда от правилна подготовка – или хонинговане с 0,01-0,03 mm радиус, или скосяване с ъгъл от 15 до 250 градуса, достигащо до около 0,1-0,2 mm от ръба.

Пластините от CBN позволяват много по-високи скорости на обработка (между 90-150 m/min) и скорости на подаване от 0,05-0,20 mm на оборот, като дълбочината на рязане варира около 0,10-0,50 mm. Обикновено инструментите от смесена керамика се предпочитат пред тези от кубичен борен нитрид за приложения, изискващи непрекъснато рязане и нормална дълбочина на обработка, заради доброто съотношение цена/производителност. CBN се предпочита за прекъсната обработка или варираща дълбочина на обработка поради по-голямата здравина.

Практически ползи от струговане на трудно обработваеми материали
В приложения, изискващи грубо и фино шлифоване на повърхностите на детайли от закалени материали, заместването на грубото шлифоване със струговане за постигане на необходимото качество на повърхностите може да доведе до редуциране на разходите с до 40%. Ако и двете операции по шлифоване се заменят със струговане, икономията може да достигне до 55%. В допълнение се намаляват времетраенето на циклите на обработка, разходите за настройка и инструменти, както и консумацията на енергия. Значително се подобрява и производителността.

Така например при производството на притискащ пръстен за обработка на детайла се използва комбинация от шлифоване по вътрешен и външен диаметър, лицево и контурно шлифоване, всички процеси могат да бъдат обединени в един цикъл на струговане с две вложки. По този начин производителността може да бъде увеличена до 10 пъти.

Предимства при струговане на трудно обработваеми мате-риали за производство на зъбни колела за автомо-билни диференциали
Едно от предимствата при използване на струговане за изработка на подобни детайли е подобрената пространствена стабилност. При процеса се постигат по-малки отклонения от кръглост и по-добро качество на повърхността в сравнение с шлифоването.

В допълнение, практически се избягват различни обичайни проблеми като получаването на т. нар. биене при шлифоването на кръгли отвори. Пространственият контрол при струговане допълнително се подобрява с автоматично компенсиране на инструментите.

Друго предимство на струговането на трудно обработваеми материали се изявява при замяна на шлайфмашини със стругове. До 19 ъглови шлифовъчни машини могат да бъдат заменени с 9 струга с по 4 шпиндела, при което се елиминира нуждата от охлаждаща течност и филтрираща система, необходими за шлифоването. С подобни конфигурации се постига и цялостно снижаване на разходите за консумативи.

Обработката на материали с висока твърдост постоянно се развива с напредъка на технологиите. Този процес изисква сътрудничество между потребители, проектанти и конструктори на оборудване за механична обработка, за да се преодоляват своевременно проблемите и да се откриват оптималните решения за всяко приложение.

Провеждат се редица изследвания върху това как финишното струговане влияе върху експлоатационния цикъл на различни детайли, например лагери. Струговането масово замества грубото шлифоване като процес за довършителна обработка на канали на търкалящи лагери. Неработни зони, като външни диаметри и странични повърхности, също вече се обработват чрез струговане. Повърхностното шлифоване все още се прилага като довършваща операция за функционалните зони като вътрешния пръстен в търкалящи лагери.

Струговане или шлифоване
Изборът на процес е субективен и силно зависи от приложението и търсените резултати. Струговането е алтернативна операция, с която в много случаи може да бъде заменено шлифоването. За някои приложения обаче шлифоването остава единствен възможен вариант.

Качество на повърхността
Повърхностните топографии при двата процеса са различни. По-груба, но металургично неувредена, повърхността след струговане улеснява лепинговането и прецизните довършителни обработки. При изработване на уплътняващи повърхности обаче спираловидният релеф, получен при струговане, е нежелателен, като необходимата гладкост може да бъде получена само чрез шлифоване.

Добре контролираните процеси на струговане рядко биха причинили термични увреждания на повърхността на изработваните детайли с изключение на случаи, при които се използват затъпени инструменти или неподходящи геометрии. Струговането много по-успешно запазва състоянието на обработваните повърхности в сравнение с шлифоването, което е и доста енергоемък процес.

Ефективност при отнемане на материала
Струговането се отличава с редица предимства при повърхностна обработка на зони с определено максимално съотношение между ширина и дълбочина на рязане при обработка. То е по-добра алтернатива и на шлифоването с напречно подаване по време на цикъла на обработка. За изработка на 10 mm широк и 1,25 mm дълбок жлеб на вал, струговането е по-добър вариант за постигане на оптимални резултати.

Ако е необходим жлеб с 30 mm ширина и 1,25 mm дълбочина на същия вал обаче, шлифоване с напречно подаване би било по-удачно от използването на 30-милиметров профилен нож с големи сили на рязане, които биха повлияли отрицателно на качеството на детайла. Ако ширината е твърде голяма, струговането може да се окаже по-ефективно за реализиране на необходимата обработка.

Прекъснато рязане
Освен нежелателното механично и термично натоварване на обработващата вложка, струговането може да доведе и до вибрация със специфична амплитуда в системата, която да повлияе качеството на продукта. За да се избегне това, е необходимо металообработващата машина, инструментите и държачите за детайла да са усилени и демпферирани. Вложките от кубичен борен нитрид в наши дни са достатъчно здрави, за да понесат ударно натоварване. По-добър и безопасен избор в такива случаи все пак остава шлифоването.

Охлаждане
Струговането на трудно обработваеми материали с керамични и CBN вложки обикновено се извършва на сухо. Необходимостта от охлаждаща течност при шлифоване е негативен аспект на процеса.

Универсалност на обработката
Струговането по своята същност е много по-универсален процес и позволява обработка на множество повърхнини с една настройка на режещия инструмент. Смяната на настройките е сравнително бърза, особено при струговете с ЦПУ. При шлифоването има някои ограничения в тези аспекти.

Допуски
При струговането на трудно обработваеми материали могат да бъдат постигнати допуски, по-малки от 0,13 mm и повърхностна грапавост до 0.3 mm Ra, въпреки че релефът е спирален. При шлифоване може да се постигнат допуски от 1 mm и грапавост под 0.25 mm. Много операции не изискват толкова малки допуски като постиганите с шлифоване. В такива случаи премерена комбинация между струговане и шлифоване може да се окаже по-продуктивен вариант.

Междинното струговане може да намали нуждата от шлифоване, което, от своя страна, да остане само довършителна операция, като по този начин се намалява продължителността на циклите на обработка. В рамките на ограниченията на типично постиганите грапавости на повърхнините от 0,3 до 0,6 mm струговането може икономично да допълни шлифоването при повърхностна обработка на закалени детайли.

Възможни са два подхода. Единият обхваща струговане, последвано от фина повърхностна обработка, като заместител на шлифоване за довършителна операция. При втория подход шлифоване с много бавно подаване елиминира процесите по отстраняване на голяма част от материала. Финишната обработка отново е последна операция.

Обработка на трудно обработваеми материали
Трудно обработваемите материали скъсяват експлоатационния живот на инструментите и затрудняват постигането на необходимото качество на повърхнините. Тези материали изискват изключителна коравина на металообработващата машина и обикновено водят до повишени разходи за обработка.

Сферографитният чугун, често използван в автомобилостроенето, представлява сериозно предизвикателство за обработка, когато при рязането му се използват обичайни режими поради несъответствия в микроструктурата на детайла. Режещият инструмент в такива случаи трябва да е: устойчив на адхезивно и абразивно износване, породено от вариращи микроструктури; достатъчно здрав, за да понесе прекъсвания на рязането и способен да работи при умерени скорости на рязане и умерени до високи скорости на подаване.

Най-подходящият инструмент за обработка на сферографитен чугун е нож, изработен от волфрамов карбид (с 6% кобалт, дебелина 10 mm и CVD покритие от сплав TiCN/ Al2O3/TiN със средна температура). При проведените тестове инструментът осигурява до 40% по-малко профилно износване при скорост от 200 m/min в сравнение с карбидите с конвенционално покритие. Дори при 300 m/min инструментът постига 25% увеличение на експлоатационния период.

При по-високи скорости, когато покритието от титанов карбонитрид омекне, ефектът на слоя Al2O3 става водещ. Наскоро разработеният силициев нитрид със значително подобрена устойчивост на счупване има ограничено приложение при обработката на сферографитен чугун, особено в приложения със силно изразено прекъснато рязане при по-високи скорости (400 m/min).

Ако върху силициевия нитрид бъде нанесено водоустойчиво Al2O3 покритие, този материал може да бъде успешно използван за обработка на сферографитен чугун. Разработват се варианти за оптимални режещи инструменти за дребнозърнест чугун, така че параметрите на рязане да не бъдат намалявани в сравнение с тези при сив чугун.

Алуминиевите сплави с високо съдържание на силиций, които постепенно заместват тези с ниско съдържание, представляват известен проблем за обработка посредством карбиди без покритие или пластини от поликристален диамант (PCD). Такива инструменти се използват предимно за струговане, фрезоване и пробиване на алуминиево-силициеви сплави (AlSi) с ниско съдържание на силиций.

С подобрено сцепление, новите серии инструменти от карбиден субстрат с диамантено покритие с дебелина 25 mm осигуряват отлична производителност в сравнение с конвенционалните PCD пластини. Подобрени диамантени покрития все по-масово се нанасят на инструментите, използвани за различни операции по обработка на алуминиеви сплави с високо съдържание на силиций.

Материалите, използвани в космическата индустрия, като титанови сплави и изключително здравите никелови сплави, са най-голямото предизвикателство за режещите инструменти, когато трябва да се постигне висока производителност при обработка. Струговането на титанови сплави с пластина с CVD (химично парно отлагане) покритие от титанов карбонитрид (TiCN) и PVD (физично парно отлагане) покритие от титанов нитрид (тинит, TiN), които осигуряват цялостна устойчивост на износване и отчупване, може да увеличи скоростта на рязане двойно.

Новите керамични инструменти от SiAlON (силиций, алуминий, кислород и азот) предлагат отлична комбинация от устойчивост на износване и отчупване при груба обработка на изключително здрави никелови сплави. Експлоатационният живот на такъв инструмент е с до 40% по-висок.

Подсилената керамика с 20% нишкообразни кристали от силициев карбид (SiC) с висока якост може да произведе до 60% повече детайли при струговането на ротор от инконел (сплав от никел и хром). Разработват се и редица други технологии за преодоляване на предизвикателствата при обработката на трудно обработваеми материали.

Top