Струговане на детайли с малки размери

• Струговането на дребни детайли е ключов метод за производство на прецизни компоненти за редица взискателни и високотехнологични сектори
  
  
• Работата с малки заготовки изисква машините за целта да се отличават с изключителна стабилност и точност
  
  
• Струговането на детайли с малки размери изисква коренно различен подход по отношение на инструменталната екипировка

Струговането на дребни детайли и една от неговите разновидности за обработка на миниатюрни части – микроструговането, са ключови методи за производство на прецизни компоненти за секторите на електрониката, машиностроенето и уредостроенето, медицинската техника, часовникарството, авиокосмическия отрасъл и други високотехнологични сектори. Работата с малки детайли изисква машините за целта да се отличават с изключителна стабилност, висока точност на позициониране, минимални допуски и вибрации. Съвременните ЦПУ стругове за обработка на детайли с дребни и миниатюрни размери комбинират усъвършенствана кинематика, автоматизирани системи за подаване, иновативни технологии за измерване и охлаждане, както и интелигентен софтуер за мониторинг на процесите.

Специфики по отношение на инструменталната екипировка

Традиционно всяка стругова операция, изискваща работа с детайли с диаметър под 2 – 2,5 cm, попада в полето на прецизната обработка. Още по-специфична област е микрообработката, при която заготовките са толкова фини и малки – с размери от порядъка на 2,5 до 0,5 mm в диаметър, че дори не могат да бъдат закрепени посредством стандартен патронник. Цеховете за металообработка, които се заемат с поръчки в този диапазон, обикновено се налага да преодолеят редица предизвикателства по отношение на машините, инструментите и средствата за инспекция и качествен контрол.

Струговането на дребногабаритни детайли типично изисква много по-различен подход по отношение на инструменталната екипировка в сравнение с конвенционалното. Основна особеност е натискът, упражняван от инструмента върху заготовката, която при такива габарити лесно може да се деформира. Ето защо в такива сценарии са необходими специализирани решения и внимателно планиране на процеса с цел минимизиране на риска от деформации.

Ключови за надеждната стругова обработка на малки части са инструментите с изключително остри ръбове, позитивна геометрия и адекватен ъгъл на подрязване (заден ъгъл). Обикновено се използват остри формовани и шлифовани режещи пластини, тъй като те намаляват напрежението върху инструмента и улесняват по-свободното рязане. За предпочитане са вложките с PVD покритие, тъй като предлагат удължен живот (включително максимално дълго запазване на остротата) и се отличават с по-прецизни и дефинирани ръбове.

Изцяло синтерованите инструменти могат да създадат проблеми, тъй като често нямат необходимата острота, за да намалят ефективно натиска. Те са твърди и издръжливи, но се избягват за обработка на дребни детайли. Формованите вложки, от друга страна, представляват ценна опция от гледна точка на ефективността, рентабилността и опростяването на процеса.

Операторите следва постоянно да следят състоянието на режещите ръбове. Всякакви отчетливи промени вследствие на рутинно износване, използване или стандартно индексиране, могат да станат повод за смяна на пластината, за да се избегнат евентуални бракувани детайли, партиди и допълнителни разходи. Предвид изключително малките толеранси, връщането на инструмента до правилния размер след индексиране е сериозно предизвикателство. Ето защо наблюдението и контролът на размера на режещия инструмент след индексиране са ключови.

Препоръчително за цеховете в сегмента е да залагат на специализирани инструменти, проектирани за струговане на малки или миниатюрни детайли. При тях допуските поначало са значително по-малки, а структурата на материала – много по-дребнозърнеста. При използване на такава инструментална екипировка е добре да се използват модулни системи от висок клас, както и платформи за непрекъснат мониторинг на износването. Ако дадена характеристика на детайла трябва да се изработи с дълбочина от порядъка на едва 0,02 mm, а радиусът на инструмента се променя поради износване, бързо могат да възникнат сериозни проблеми във връзка с толерансите.

Често срещани предизвикателства и проблеми

Други предизвикателства при струговането на малки детайли са управлението и отвеждането на стружките. Макар според общоприетото правило възможно най-големият инструмент да е предпочитан вариант, операторите винаги трябва да се уверяват, че е налице достатъчно място за отвеждане на стружките, особено по време на разстъргващи операции. Използването на охлаждаща течност под високо налягане е от огромно значение за управлението на процеса. Фокусът следва да попада върху контрола на стружките като основен приоритет. В този смисъл адекватният дизайн на стружкочупещия механизъм е ключов за ефективното насочване на отпадните частици материал далеч от детайла.

Важно е да се вземе предвид и една често недоглеждана особеност – винтовете, използвани за закрепване на пластините за струговане на малки и миниатюрни детайли, обикновено сами по себе си са изключително дребни и лесно могат да бъдат загубени. В тази връзка е препоръчително да се поддържа достатъчен запас от допълнителни крепежни елементи за държачите.

Подравняването на закрепващите приспособления и състоянието на слотовете (гнездата) също са от решаващо значение при работа с микротолеранси и трябва да се проверяват често. Въпреки че този специфичен клас стругови операции обикновено залага на нисък натиск върху инструмента и съответно поражда минимално напрежение върху държача, с течение на времето може да се появи износване, което налага непрекъснато наблюдение.

Нискофрикционните покрития са особено полезни при материали, изискващи скорости, които е трудно да бъдат постигнати при дребногабаритни детайли. Те носят ползи във връзка с ограниченията в оборотите. Що се отнася до дълбочината на рязане, машината обикновено изпълнява един-единствен довършителен проход, който трябва да бъде внимателно балансиран съобразно натиска на инструмента. Подаването следва да се поддържа много умерено, като използването на формовани инструменти и специализирана екипировка може да компенсира част от загубеното машинно време.

Изискването за ниска скорост на рязане е потенциална причина за образуване на натрупвания върху ръбовете. Докато при по-големи части такива налепи се отстраняват лесно чрез вторични процеси, това е много по-трудно при малки компоненти. Често срещаните грешки включват задаване на неправилни условия на рязане, като неправилна дължина на повърхнината, прекомерно високи скорости на подаване или твърде голяма дълбочина на рязане.

Успешното струговане на детайли с малки размери директно кореспондира и с дизайна на крайното изделие, който следва да се придържа към няколко основни принципа във връзка с материала, допуските, повърхностната обработка и дебелините на стените. Меките, пластични метали (като алуминий и месинг) типично са по-лесни за обработка, но обикновено не са толкова издръжливи, колкото по-твърдите (като стомана или титан). Материалът трябва да е достатъчно здрав, за да издържи на силите на обработка, да е устойчив на топлина и износване и да е съвместим с използваните охлаждащи и смазочни течности. Най-добрият избор балансира необходимите свойства на крайното приложение с изискванията на процеса по струговане с ЦПУ. Прекалено тесните допуски е възможно да се окажат непостижими или да попречат на предвидената функция, докато твърде хлабавите толеранси могат да повлияят негативно на прилягането и функцията на детайла. Що се отнася до необходимото качество на крайните повърхности, то се определя от изискванията на приложението. Лошият избор на материали или инструменти често води до увеличено триене, ускорено износване и влошен външен вид.
Не на последно място, твърде тънките стени могат да направят детайла крехък и податлив на счупване, докато в резултат на твърде дебели стени не е изключено да се получи тежка и трудна за работа част. Идеалната дебелина зависи от материала и необходимата здравина.

Съображения във връзка с машината и настройката

Възможностите за струговане на малки детайли често зависят и пряко от размера им и необходимите спецификации. За целта могат да се използват конвенционални машини с ЦПУ със съответната екипировка и настройка, като е добре да се вземе предвид, че много съвременни модели са оборудвани за обработка на по-малки детайли. Историческото предизвикателство – да се струговат надеждно дребни части без повреди или деформации – до голяма степен се улеснява от модерните технологии. Въпреки това цеховете, които преминават към детайли с малък диаметър, често постигат най-висока ефективност и рентабилност посредством стругове от швейцарски тип. Конвенционалните стругови машини с ЦПУ са подходящи за традиционна обработка, но скоростите на шпинделите им обикновено са ограничени до около 5000 об/мин. За разлика от тях, системите от швейцарски тип могат да достигнат скорости до и над 15 000 об/мин. Това позволява на машината да генерира необходимата бързина на повърхностно рязане за ефективна обработка на части с малък диаметър.

За предприятията, които специализират в струговането на дълги и тънки детайли, стандартните стругове с ЦПУ създават сериозни ограничения. И тук машините от швейцарски тип осигуряват решаващата разлика – в случая, твърдостта и стабилността, необходима за заготовки с такива характеристики. Те извършват режещата операция възможно най-близо до върха на шпиндела, като материалът се движи, а инструментът остава стационарен. При стандартните конфигурации инструментът се движи по детайла, който е неподвижно фиксиран.

Конвенционалните стругове типично могат да постигнат съотношение на дължина към диаметър (L:D) от едва приблизително 10:1, като дори това би изисквало по-стабилна/усилена опора. На машина от швейцарски тип съотношението L:D може да достигне до 20:1, което позволява ефективното производство на сложни детайли с малки размери и диаметри.

Независимо дали се използва конвенционална машина или такава от швейцарски тип, настройката трябва да е стабилна, а използването на правилните инструменти е жизненоважно за качествената и надеждна обработка. Основните противници на прецизността в този смисъл са вибрациите и топлината. Вместо интензивни и дълбоки прорези, прилагането на малки разрези с висока скорост помага да се поддържа детайлът възможно най-хладен, което минимизира топлинната деформация.

Струговете от швейцарски тип обикновено са оборудвани със системи за охлаждане под високо налягане, често с флуид на водна основа с налягане до 2000 psi (13,8 MPa), който специално допринася за отвеждане на топлината от детайла. Ако машината разполага с помпа за течност под високо налягане, използването на вътрешен охлаждащ флуид през инструментите се счита за необходимост.
За дълги детайли, особено за такива с малки диаметри, се препоръчва използването на вторичен шпиндел за захващане. Въпреки че това може да добави малко време към цикъла, захващането на заготовката и предотвратяването на свободното й увисване осигурява стабилността, необходима за спазване на допустимите отклонения.

Автоматизация, измерване и инспекция

Въпреки че автоматизацията е все по-разпространена в производството, тя невинаги е подходяща, а в много случаи изобщо не е препоръчителна при струговане на детайли с малки размери. Хващачите на роботизираните манипулатори е възможно да не притежават необходимата сръчност, а точността на робота да се окаже недостатъчна за надеждно боравене с фините части при закрепване и разтоварване.

Допълнителен проблем с малките детайли е рискът да бъдат отмити заедно със стружките. Ежекторите, които подават дребните компоненти към конвейерната система, може да се затруднят с отделянето им от стружките. По-ефективно решение представляват вакуумните системи, които засмукват детайла при отваряне на патронника и го поставят в специален сепаратор.

В допълнение, дребногабаритните компоненти изискват методи за измерване и проверка, коренно различни от тези при по-големите им аналози. Възможни варианти са системите за визуална инспекция с голямо увеличение, както и офлайн калибрирането. Макар традиционно да са по-сложни и скъпи от обикновените шублери и настолните инструменти, те осигуряват надеждно, прецизно и навременно откриване на отклонения, както и бързо връщане на инструмента към желания размер след индексиране.

Непрекъснатите иновации в струговането на малки детайли се стремят към подобрено ЦПУ управление, по-интелигентен мониторинг, усъвършенствани покрития и дигитализирани функции, които биха позволили значително по-висока прецизност, надеждност и производителност при всяко следващо поколение машини.