Високоскоростно и прецизно разстъргване

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 6/2016 • 27.09.2016

Високоскоростно и прецизно разстъргване
Високоскоростно и прецизно разстъргване

Изискванията за висока прецизност в комбинация с оптимална скорост и кратки работни цикли при съвременните решения за обработка на отвори все повече нарастват, тъй като това са ключови фактори за повишаване на производствения капацитет и качеството на крайния продукт.

Разстъргването е един от най-често прилаганите методи за механична обработка на отвори и представлява разширяване на съществуващ отвор, който вече е бил изработен (пробит или отлят), чрез инструмент с един режещ ръб, многоръбова режеща глава (съдържаща две или повече режещи пластини) и др.

Посредством разстъргване се цели постигане на по-висока точност на диаметъра на отвора, като методът може да бъде използван и за пробиване и на конусни отвори. За разлика от струговането, при което се обработват външни диаметри, тук обработваните диаметри са предимно вътрешни.

В практиката широко се използва разстъргване с едноръбова глава, предшествано от разстъргване с многоръбова глава, за да се постигне по-висока точност на обработка, например при обработване на точно разположени отвори.

Благодарение на съвременните подобрения в технологията и материалите за изработка на металорежещи инструменти е възможно извършването на високоскоростно и прецизно разстъргване, чрез което се постига значително подобряване на производителността и качеството на продукта.

За целта се използват твърдосплавни инструменти с по-голяма здравина и якост, както и солидни конструкции с подобрена виброустойчивост, точност и стабилност.

Същност на метода
Разстъргването се извършва с въртящ се инструмент и/или въртяща се заготовка. Отворът, чийто диаметър се разширява, е предварително изработен чрез леене, пресоване, екструдиране, газо-кислородно рязане и т. н.

Най-често се реализира груба обработка (награпяване) на отвора с цел да се постигне желаният диаметър с по-висок толеранс към точността и да се подготви отвора за прецизна окончателна обработка с минимален допуск. Разстъргване може да бъде извършвано както посредством специализирани машини, така и чрез комплексни обработващи центри, мултифункционални фрези и стругове, машини с хоризонтална и вертикална компановка.

Въртящият се инструмент за разстъргване се подава аксиално през отвора. Често срещано приложение е разстъргването на проходни отвори, отвори в призматични или кръгли компоненти. Външно разстъргване също може да бъде реализирано, като за целта се използват специално пригодени инструменти.

Посредством този метод най-често се обработват отвори с диаметър между 30 и 100 мм. Що се отнася до дълбочината на отворите, максималната препоръчителна дълбочина на обработка е до четири пъти диаметъра на отвора. За грубо и прецизно разстъргване на отвори с по-голяма дълбочина (шест или повече пъти диаметъра) се използват машини със специална конструкция и система за гасене на вибрациите.

Чрез фино разстъргване типично могат да се постигнат отвори с висока геометрична точност и допуски в диаметъра между IT (International tolerance) 9 и IT6, както и прецизна повърхностна обработка на отвора със средно аритметичното отклонение /Ra/ < 1 микрометър.

Технологични подобрения по отношение на скоростта и прецизността
Металообработващите инструменти при разстъргването са снабдени с опорни базиращи елементи, които влизат в контакт с обработвания отвор чрез триене при плъзгане (твърдосплавни пластини) или търкаляне (ролки, сачми).

За този процес са характерни голямо силово и топлинно натоварване, които нарастват значително при високоскоростните и прецизни приложения. Металообработващата машина задължително се оборудва с блокиращо устройство или защитна система за изключване при претоварване.

Отделя се по-сериозно внимание на стружкочупенето, мазането и охлаждането, за да се осигурят надеждно отвеждане на стружките и дълъг експлоатационен живот на инструментите, както и да се поддържат в граници топлинното и силово натоварване. Мажещо-охлаждащата течност (МОТ) обикновено се подвежда с голям дебит и налягане, за да предотврати задръстването и да позволи обработка и на по-дълбоки отвори.

Ограниченията при разстъргването по отношение на геометричната точност (форма, позиция) и твърдостта на обработвания детайл постепенно се преодоляват с усъвършенстването на технологиите в областта.

Новите класове карбидни и керамични режещи пластини позволяват прецизна финишна обработка, дори и без шлифоване, като същевременно значително разширяват списъка с трудно обработваеми материали, в които могат да бъдат обработвани отвори чрез разстъргване.

В модерната металообработка допуски от няколко микрометра вече са част от изискванията и на най-обикновените приложения. Благодарение на технологичния напредък при металорежещите машини значително се повишават точността и скоростта на обработка.

Интелигентни ЦПУ системи позволяват разстъргващият инструмент да се движи по-най кратката траектория между точките на обработка, а охлаждащото вещество да се подава точно там, където е необходимо в конкретния момент на обработка. При най-съвременните решения високоскоростното и прецизно разстъргване вече са възможни като стандарт.

Операциите по разстъргване
могат да се поделят условно в следните четири категории: разстъргване с едноръбови глави; разстъргване с многоръбови глави; разстъргване със стъпково подаване; райбероване, зенкероване.

Разстъргващите глави типично се подразделят според броя на режещите пластини на едноръбови и многоръбови. Едноръбовите глави обикновено се използват за чисто разстъргване на дълбоки отвори, тъй като с тях се постига по-висока точност.

Те се характеризират с по-ниска производителност от многоръбовите. Разстъргването с едноръбова глава най-често се прилага за довършителни операции, както и за груба и прецизна обработка на отвори в материали, при които водещо изискване е контролът върху стружкочупенето и стружкоотвеждането.

Разстъргване с многоръбова глава с две или три режещи пластини
е типичен метод за груба обработка на отвори, при които приоритет е отнемането на материал. Посредством този метод може да бъде постигната изключително висока производителност с използването на две или три режещи пластини на една и съща аксиална височина, които осигуряват много по-голямо отнемане за един оборот на инструмента.

Разстъргването със стъпково подаване улеснява обработката на отвори в твърди материали чрез отстраняване на фините стружки и предпазване на борщангата от счупване и прегряване. При този метод режещите пластини са захванати на различни аксиални височини и диаметри.

Това подобрява и контрола върху стружкоотвеждането при трудно обработваеми материали и дълбочини до 1 или 1,5 пъти дължината на режещата пластина. Дълбочини от порядъка на 0,5 пъти тази дължина могат да бъдат обработвани чрез по-къси стъпки на подаване и съответно – с по-малки стружки.

Райбероването и зенкероването са довършителни процеси, извършвани посредством многоръбови глави, чрез които се постига висока прецизност на диаметрите на отворите. Райберите за окончателна обработка гарантират високо качество на готовата повърхност и минимални допуски и типично работят с високи темпове на навлизане на инструмента в материала.

Разстъргването може да бъде реализирано
посредством различни универсални металообработващи машини, включително комплексни обработващи центри, универсални стругове, стругови центри, фрези или фрезови центри, както и чрез специализирани машини за разстъргване, проектирани да извършват само тази операция като координатни разстъргващи машини, хоризонтални и вертикални разстъргващи машини и др.

Съвременните комплексни обработващи центри все по-често са оборудвани да се справят изключително бързо със задачи, свързани с пробиване, нарязване на резба, разстъргване и шлифоване. Най-модерните решения разполагат с високоскоростни устройства за автоматична смяна на инструментите, които позволяват изключително бърз преход между операциите.

Хоризонтални и вертикални разстъргващи машини и фрези
Разстъргващите машини се предлагат в широко разнообразие от размери и компановки. Разстъргването на отвори в малки детайли може да бъде реализирано на компактни стругове, докато едрогабаритните заготовки типично изискват специализирани разстъргващи машини. Такива заготовки типично са с размери на диаметъра от 1 до 4 м, но могат да достигнат и до 20 м.

Тъй като разстъргването по принцип е метод за повишаване на точността на диаметъра на готови отвори и свеждане до минимум на допуските, са налице няколко основни съображения по отношение дизайна на разстъргващите машини. Първо, дълбоките отвори са по-трудни за обработване и изискват специални конструкции.

Второ, високоскоростната и високопрецизната обработка налага използването на по-издръжливи инструменти и конструкции с подобрена стабилност, точност и виброустойчивост. Трето, проходните отвори са по-лесни за обработка от глухите отвори, които не преминават през цялата дебелина на детайла.

Изключително внимание се отделя върху здравината и якостта на дорниците за разстъргване, които представляват издадените рамена на машината и понасят огромна част от силовото натоварване. В допълнение, прекъснатите вътрешни работни повърхности, при които са налице точки без контакт между режещия инструмент и повърхността на отвора, по правило се избягват.

Стругове
При разстъргването със струг типично се използва едноръбова глава за обработка на конусовидни или цилиндрични повърхности чрез разширяване на съществуващ отвор в детайла. С този метод могат да бъдат изработвани както прости, така и много сложни геометрии с широк набор от диаметри. Наред със струговането и пробиването, разстъргването е една от най-често извършваните посредством стругове и стругови центри операции.

Разстъргването със стругова машина изисква затягане на детайла в патронник и въртене както на детайла, така и на инструмента. Докато заготовката се върти, дорник (шпиндел/борщанга) с режеща пластина се подава в съществуващия отвор.

При контакта на режещата пластина с обработваната повърхност се отнема метал и се образува стружка. В зависимост от приложението и вида на металорежещата машина, материала и темповете на подаване, стружката може да е непрекъсната или сегментирана.

При стандартните операции по разстъргване на струг лесно се постигат допуски от порядъка на ±0,010 - ±0,25 мм. При високопрецизни приложения са възможни изключително малки допуски до ±0,013 мм, но за отвори с по-малка дълбочина. Още по-голяма прецизност (±0,0038 мм) също е възможно да бъде постигната, но това значително оскъпява процеса.

Типично, алтернативи на разстъргването за такива приложения са шлифоване, хонинговане и лепинговане.
Повърхностната грапавина при разстъргване обикновено е между 32 и 125 микроинча, с възможности да достигне диапазон от 8-250 микроинча.

Значение на скоростта и прецизността при разстъргването
Посредством високоскоростно разстъргване за фина повърхностна обработка, освен кратки времена на цикъл, се постига и по-висока производителност. Основно предизвикателство е балансът на конструкцията.

В допълнение към възможностите за значително повишаване на производствения капацитет на разстъргващите машини, високоскоростната обработка спомага за постигане и на по-високо качество на отвора. Високите класове съвременни материали за изработка на металообработващи инструменти, като поликристален диамант (PCD), кубичен бор нитрид (CBN) и керамика, осигуряват по-високо качество на обработваната повърхност с повишаването на скоростта на обработка.

Ето защо модерните обработващи центри комбинират решения за високоскоростно и високопрецизно разстъргване. В допълнение, по-високата скорост и точност на рязане водят до по-ниски разходи за инструментална екипировка, тъй като осигуряват по-дълъг живот на инструментите.

Типичната точност на решенията за оптимизирано разстъргване е от порядъка на 5-20 микрометра, като лесно може да бъде подобрена до

Инструментална екипировка за разстъргване
Инструментите за разстъргване обикновено са модулни и се състоят от държач, носеща борщанга (дорник за разстъргване) и режеща глава (пробивна, разстъргваща, комбинирана). Режещите глави за прецизно разстъргване включват пробивна щанга, която позволява радиална настройка в специфичен диапазон от диаметри, и инструмент за райбероване.

Най-малките отвори (от порядъка на 3 мм в диаметър) обикновено се обработват с режещи глави за прецизно разстъргване, докато по-големи диаметри (до 975 мм) повърхностно се обработват с едноръбови глави, оборудвани с регулируеми плъзгащи се удължители, монтирани на ексцентричен шпиндел.

В зависимост от приложението и обработвания материал се използват различни типове инструменти с различни технологии на захващане – щанги с приплъзване, патронници, дорници и инструменти за прецизно разстъргване. Последните се използват в специализирани решения за разстъргване, като са подходящи дори за глухи отвори, без да е необходимо да бъдат затягани след поставяне в държача.

Избор на инструменти
Изборът на инструментална екипировка за разстъргване зависи до голяма степен от желания метод – едноръбово, многоръбово, стъпково разстъргване и т. н. Инструментите за груба обработка на отвори типично са многоръбови, а тези за прецизна финишна и/или високоскоростна – едноръбови.

Инструментите, подходящи за тежки режими на работа (heavy duty), обикновено предназначени за по-големи диаметри, типично са подходящи за извършване и на трите типа операции по разстъргване.

При инструментите за прецизно разстъргване, проектирани да обработват отвори с по-големи диаметри, се налагат основно два типа компановки: една за едноръбово или двуръбово разстъргване на вътрешни диаметри от 250 до 575 мм и външни приблизително от 130 до 450 мм; и една за разстъргване на вътрешни диаметри от 250 до 975 мм.

И при двата дизайна типично се използват преходна втулка/държач, борщанга, подвижно съединение (slide) и глава за прецизно разстъргване.
Изборът на най-подходящата режеща пластина и ъгъл на подаване, както и функцията за въртене (до 360 градуса) на главата при съвременните металообработващи центри, позволяват висока производителност и високо качество на готовата повърхност на отвора при високоскоростно и високопрецизно разстъргване.

Режещите глави за прецизно разстъргване
със специализирани борщанги за фина обработка за диаметри от 12 до 25 мм или карбидни борщанги могат да постигнат допуски от порядъка на (IT6) при високи скорости на въртене на шпиндела (около 7000 rpm). За диаметри от 3 до 44 мм и съответно дълбочини от 13,5 до 128 мм, тези инструменти за прецизна обработка позволяват разстъргване с висока точност с малки дълбочини на рязане (0,05 до 0,5 mm) и малки темпове на подаване (0,01 до 0,1 мм).

Многоръбовите глави с различни режещи пластини, подходящи за високоскоростна обработка, позволяват и високи темпове на проникване на инструмента в детайла. 
Режещите глави за прецизно разстъргване типично са оборудвани с левостранни жлебове за стружкоотвеждане, които отвеждат стружките далеч от инструмента за райбероване/зекероване.

Този тип инструменти генерират сили на рязане, насочени аксиално към шпиндела, увеличавайки здравината на конструкцията и осигурявайки прецизен контрол върху точността на диаметъра на отвора.

Режещи пластини за прецизна обработка
При високоскоростното и прецизно разстъргване приоритет е оптималната точност на обработка, заедно с максимално високото качество на обработената повърхност. От изключителна важност тук са балансът на компановката, контролът върху мазането и охлаждането, стружкочупенето и стружкоотвеждането, стабилността и виброустойчивостта на конструкцията.

Сред условията за реализиране на желаните резултати е и правилният избор на сменяема вложка за прецизно разстъргване. Производителността, надеждността и качеството на обработка са пряко свързани с работата на режещите пластини. Стружкообразуването и експлоатационният живот на инструмента, както и параметрите на разстъргване, се определят от специфичната комбинация между клас (материал) и геометрия на вложката.

Едно от най-често използваните решения за прецизна обработка е режеща пластина с положителна геометрия от металокерамика и компановка за високоскоростно рязане.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top