Прецизионная обработка с ЧПУТонкие валы: как мы контролируем прогиб (не сходя с ума)
Давайте будем честными. Если вы спросите любого механика в нашем цехе, какую деталь он ненавидит больше всего, он не ответит, что это сложная 5-осевая аэрокосмическая крыльчатка. Они, вероятно, укажут на простой на вид тонкий стержень.
Буквально в прошлом месяце клиент принес настоящую ужасную деталь. Мы использовали вал из нержавеющей стали 316L. Это больше походило на спагетти, чем на обработанную деталь. Соотношение длины-к-диаметру (Д/Д) составляло 35:1.
Когда соотношение L/D превышает 10 или 12, отсутствие жесткости означает, что металл ведет себя как мокрая лапша. Если у вашего поставщика нет необходимых навыков, вы можете получить конические детали, детали с черновой отделкой и детали, которые гнутся после механической обработки. Мы видели, как покупатели обращались к нам с просьбой о помощи. Их последний недорогой-поставщик поставил 2000 валов, похожих на бананы.
Вот четкий взгляд на то, что работает для нас в цехах. Это помогает уменьшить прогиб, вибрацию и тепловое расширение при обработке тонких деталей. Никакой теории из учебника,-просто ремонт реальных цехов-полов.
Почему тонкие валы так часто выходят из строя? Физика, лежащая в основе головной боли?
Все сводится к физике. Когда вы тащите твердосплавный режущий инструмент по длинной металлической детали без опоры, вы сталкиваетесь сразу с тремя основными проблемами.
1. Радиальное отклонение (эффект «лука»)
При точении режущий инструмент создает осевую силу, перемещающуюся по длине заготовки. Это также создает радиальную силу, которая давит на боковую часть детали. Поскольку вал тонкий и длинный, ему не хватает жесткости балки, чтобы противостоять такому радиальному давлению. Он буквально отгибается от инструмента.
Результат? Инструмент режет меньше материала в середине вала, чем на концах. В итоге у вас получится бочонок или «барабан»-толстый посередине и тонкий на концах. Физика всегда побеждает, если вы не поддерживаете ее правильно.
2. Эта кричащая болтовня (Гармоническая вибрация)
Если вы когда-нибудь работали в механическом цехе, вы знаете этот звук. высокий-визг, означающий, что ваш инструмент отскакивает от материала, а не разрезает его.
Низкая жесткость приводит к высокочастотной-гармонической вибрации. Эта болтовня портит отделку поверхности и оставляет некрасивые тигровые-полосы. Он также может за считанные минуты отколоть ваши дорогостоящие твердосплавные пластины.
3. Тепловое расширение («Безмолвный убийца»)
Металлы растут, когда они нагреваются. Резка длинного вала приводит к сильному трению и нагреву.
Например, алюминий длиной 500 мм может легко вырасти на несколько тысячных дюйма, просто нагревшись на ощупь. Если жесткий патрон и жесткая задняя бабка надежно фиксируют вал, лишней длине некуда деваться. Он должен прогнуться и выгнуться наружу.
Окончательное решение: обработка-швейцарского типа с ЧПУ
Если мы используем тонкий вал диаметром менее 32 мм (около 1,25 дюйма), соотношение L/D может быть высоким. В этом случае мы не используем стандартные токарные станки с ЧПУ. Мы переносим работу прямо на наши станки с ЧПУ-типа швейцарского типа (например, Citizens или Tsugamis).
Я буду с вами откровенен:Швейцарская обработка — лучший чит-код для тонких валов.
Почему? Все дело в направляющей втулке.
В отличие от обычного токарного станка, где заготовка выступает из патрона, швейцарский станок работает наоборот. Высокоточная направляющая втулка подает необработанный пруток. Режущий инструмент находится неподвижно, рядом с втулкой,-обычно на расстоянии одного-двух миллиметров. Материал выдвигается, и инструмент разрезает его по мере выхода.
Поскольку инструмент режет непосредственно возле опоры,соотношение L/D в точке разреза близко к нулю. Прогиб полностью исчезает. Болтовня мертва.
При обработке швейцарского-типа мы поддерживаем жесткие допуски на диаметр ±0,005 мм (0,0002 дюйма) и чистоту Ra 0,4.
Мы делаем это с запчастями, которые многие другие магазины отказываются указывать. Кроме того, мы можем фрезеровать лыски, сверлить поперечные-отверстия и нарезать резьбу за одну установку, что существенно устраняет ошибки.
Традиционные советы по токарному станку (когда заготовка слишком велика для швейцарца)
Швейцарские машины невероятны, но они работают максимально эффективно при определенных диаметрах. Если клиент отправит нам нестандартный вал насоса диаметром 50 мм и длиной 800 мм, он не поместится в токарный станок. Нам приходится полагаться на традиционныетокарная обработка с ЧПУцентры.
Вот как мы не позволяем большим тонким стержням превратиться в бананы:
1. Неподвижные опоры и ведомые опоры
Вы должны поддерживать середину разреза.
· Оператор исправляетУстойчивый отдыхк станине машины. Он удерживает одно определенное место на валу, в то время как инструмент режет другое место. Отлично подходит для сверления конца длинного вала, но не идеален для длинных токарных проходов.
· A Отдых последователякрепится болтами прямо к каретке инструмента. Он движется вместе с режущим инструментом, постоянно поддерживая вал прямо напротив сил резания. Это эффективно, но настройка опорных роликов следящего устройства так, чтобы они не царапали новую поверхность среза, требует опытного станочника.
2. Точение с обратной подачей (трюк с натяжением)
Обычно вы начинаете резку с конца задней бабки и подаете инструмент к патрону. Это подвергает тонкий вал сжатию. Плохая идея.
Вместо этого мы программируем станок так, чтобы он начинал работу возле патрона и выполнял резку назад к задней бабке. Это приводит к тому, что вал испытывает натяжение. Думайте об этом как о натягивании гитарной струны,-естественно, она хочет оставаться совершенно прямой.
3. Поворот двойной-револьверной головки
Если мы выполняем работу на двухревольверном токарном станке с ЧПУ, мы используем Pinch Turning. Мы программируем верхний и нижний инструменты для одновременной резки друг напротив друга.
Один инструмент выполняет черновой проход, другой немного отстает на чистовой проход. Радиальные толкающие силы полностью компенсируют друг друга. Вал даже не знает, что его кто-то толкает.
4. Подпружиненные-приводные центры и давление задней бабки
Чтобы бороться с тепловым расширением, о котором я упоминал ранее, мы никогда не используем мертвый твердый центр. Мы используем приводные центры с внутренней пружиной в задней бабке.
Поскольку вал нагревается и увеличивается во время тяжелого чернового прохода, пружина занимает дополнительную длину. Он поддерживает постоянное удерживающее давление и предотвращает коробление детали.
Кроме того, решающее значение имеет снижение гидравлического давления задней бабки. Слишком сильное давление на вал диаметром 10 мм приведет к его искривлению. Это может произойти еще до того, как инструмент коснется его.
Секреты инструментальной геометрии: какие пластины мы на самом деле покупаем
У вас может быть лучший станок в мире, но если вы ударите по тонкому валу неподходящей твердосплавной пластиной, вам придется плохо. Вот как выглядит наша набор инструментов для этих работ:
· Малый радиус при вершине: стандартные пластины часто имеют радиус при вершине 0,8 мм или 0,4 мм. Для тонких валов мы уменьшаем это значение до 0,2 мм (0,008 дюйма) или даже до 0,1 мм. Больший радиус действует как снегоочиститель, создавая огромное радиальное давление, которое отталкивает деталь. Острый, крошечный радиус действует как скальпель, снижая силы резания.
·Высокий положительный передний угол: мы отказываемся от тяжелых пластин с отрицательным-передним углом для черновой обработки. Мы используем высокие-положительные, бритвенно--острые алюминиевые-режущие пластины, иногда даже для стали, чтобы аккуратно срезать материал. Это помогает предотвратить разрывы.
· Вставки Wiper (The Finish Hack): Обычно небольшой радиус при вершине дает плохой результат.обработка поверхности. Если только вы не уменьшите скорость подачи до минимальной.
Чтобы это исправить, мы используем вставки «Wiper». У них есть дополнительный плоский край, который действует как мастерок, сглаживая следы подачи. Это позволяет нам работать с небольшим радиусом при низком давлении, сохраняя при этом полированную поверхность на приличных скоростях.
Руководство по выбору материала для тонких валов
Каждый металл ведет себя по-разному, когда вы его растягиваете и пытаетесь разрезать. Если вы инженер, выбирающий материал, сначала прочитайте это:
· Нержавеющая сталь 304/316:Кошмар, если с ним не справиться правильно. Работа-быстро затвердевает. Если ваш инструмент вместо порезов трется, поверхность становится -твердой, и деталь немедленно прогибается. Нужны очень острые инструменты и охлаждающая жидкость.
· Нержавеющая сталь 17-4 PH:На самом деле намного лучше, чем 300-я серия для длинных валов. Он прекрасно обрабатывается в отожженном состоянии и остается на удивление прямым.
· Титан (класс 5):Он липкий и плохо проводит тепло. Тепло остается в зоне резания, а значит, инструмент сгорает, а вал отталкивается. Требуются чрезвычайно низкие скорости резания и подача СОЖ под высоким-давлением прямо на режущую кромку.
· Холодно-Прокатная сталь (например, 1018 CR):Самая распространенная ловушка. Холодная прокатка подвергает внешнюю оболочку прутка огромным внутренним напряжениям. Когда мы удаляем внешнюю обшивку, напряжение снимается неравномерно, и вал деформируется, как только выходит из станка. Для длинных валов всегда указывайте горячекатаный-прокат или-снятую под напряжение заготовку!
Быстрая услуга DFM, которую можно задать инженерам
Инженерам-конструкторам, читающим это: нам нравится создавать ваши компоненты. Если вы выбираете длинный и тонкий вал, помните об этих простых советах по проектированию для технологичности (DFM). Они сделают деталь значительно дешевле и быстрее, и мы сможем обработать ее для вас.
1.Ослабьте середину:Патрон и центр жестко удерживают концы вала. На них легко соблюдать жесткие допуски.
Середина – это то место, где часть хочет склониться. Если средняя часть не подходит к подшипнику, шкиву или уплотнению, используйте здесь более свободный допуск. Например, используйте ±0,1 мм вместо ±0,01 мм. Это экономит нам часы борьбы с машиной, а это экономит ваши деньги.
2.Следите за ключевыми дорожками:Фрезерование глубокой и длинной шпоночной канавки вдоль длинного вала снимает внутреннее напряжение. Он может деформироваться сразу же, как только достигнетфрезерный центр. Если вам нужен длинный шпоночный паз, спроектируйте два симметричных шпоночных паза, по одному с каждой стороны, чтобы сбалансировать снятие напряжения.
Или запланируйте дополнительное выпрямление и термообработку,-снимающую напряжение.
3.Избегайте потоков в мертвой точке:Одноточечная-резьба оказывает на деталь сильное боковое давление. Старайтесь располагать резьбовые участки вблизи концов вала, где жесткость наибольшая.
Практический пример-из реального мира: спасение проекта по производству медицинского оборудования
Давайте воплотим всю эту теорию в жизнь.
· Часть:Стержень эндоскопического инструмента.
· Материал:Нержавеющая сталь 316L.
· Характеристики: диаметр 4 мм, длина 150 мм (соотношение L/D 37,5:1!).
· Проблема:Предыдущий поставщик клиента сдал на слом почти 40% деталей. Они не смогли выполнить строгие требования по прямолинейности 0,02 мм. Следы вибрации привели к тому, что детали не прошли проверку биологической очистки.
· Наше исправление:Мы немедленно переложили эту работу на наш 5-осевой токарный станок Citizen Swiss. Чтобы предотвратить легкую гармоническую вибрацию кончика во время окончательной резки, мы отрегулировали линии подачи СОЖ на давление 2000 фунтов на квадратный дюйм.
Мы нацелили их точно в зону резки. Это уменьшило термический рост. Мы также перешли на специальную вставку стеклоочистителя с -высоким-положительным передним углом наклона.
· Результат:Через неделю мы отгрузили партию в 2000 штук. Отчеты о проверке нашей оптической КИМ показали нулевую конусность. У клиента была 100%-ная доходность на сборочной линии.
Заключение
После нескольких лет работы в цехе Дазао я могу сказать вам одну вещь. Обработка длинного и тонкого вала быстро унизит вас, если вы не уважаете физику.
Вы просто не можете вставить кусок необработанной холоднокатаной-стали в стандартный токарный станок, нажать зеленую кнопку и молиться, чтобы он вышел прямым. Это просто не работает. Физика каждый раз выиграет эту битву.
В Дазао мы действительно заработали огромную часть своей репутации, выполняя именно эти кошмарные работы. Мы делаем это, агрессивно управляя каждой крошечной переменной. Независимо от того, выполняет ли моя команда работу по устранению прогиба на наших высококлассных-швейцарских машинах, мы не полагаемся на удачу.
Независимо от того, сделаем ли мы двойной-ударный удар, мы не полагаемся на удачу.
Или мы заменяем инструмент на бритвенно--острую пластину радиусом 0,1 мм, чтобы избежать вибрации.
Мы никогда не позволяем результатам зависеть от удачи. Мы знаем, как металл хочет двигаться, и останавливаем его раньше, чем он это сделает.
Но послушайте, я знаю, насколько утомительным может быть проектирование и поиск этих деталей. Каждую неделю я разговариваю с-уставшими инженерами и покупателями. Их поставщик только что отправил очередную партию изогнутых валов.
Поэтому я вижу, что одни и те же конкретные вопросы,-вытягивающие волосы, возникают снова и снова. Итак, прежде чем вы щелкнете мышью, давайте углубимся в реальные ответы на самые распространенные головные боли, которые я наблюдаю.
Часто задаваемые вопросы в цехах: ответы на сложные вопросы
Вопрос 1: Почему мой тонкий вал деформируется после того, как я снимаю его со станка, даже если я использовал заднюю бабку и ее размеры в патроне были идеальны?
A1:Внутренний стресс. Это убийца.
Если вы перерабатываете холоднокатаную-сталь, сталелитейный завод улавливает напряжения во внешнем слое. Как только вы срежете эту кожу, стресс уйдет. В тот момент, когда вы разжимаете патрон, деталь прогибается в вашей руке.
Исправить:Прекратите использовать холодный-прокат для изготовления длинномерных деталей. Используйте горяче-катаные, отожженные или покупайте материалы, предварительно-снимающие напряжение-.
Вопрос 2: Как мне остановить этот ужасающий стук при повороте точно посередине вала?
A2:Вибрация означает, что радиальное давление инструмента превышает жесткость вала. Сначала уменьшите радиус при вершине пластины до 0,1 мм. Крошечный радиус резко снижает радиальное давление.
Во-вторых, убедитесь, что ваш инструмент находится точно на центральной высоте (или даже на волосок выше центра для точения снаружи). Если это не помогло, попробуйте «Сегментированное точение».
Опустите и разрежьте вал на короткие-срезы на всю глубину. Двигайтесь к патрону. Не делайте длинных и неглубоких проходов по всей детали.
Вопрос 3: Мой устойчивый отдых оставляет неприятные следы и царапины на поверхности. Как мне это исправить?
A3:Стружка, вероятно, застревает под вашими стандартными металлическими роликами, или давление зажима кажется слишком высоким.
Исправить:Попробуйте сначала повернуть гладкую, слегка увеличенную гусеницу. Затем оберните это место слоем латунной прокладки. После этого задействуйте ролики. Для получения сверхтонкой отделки замените стальные ролики на специальные наконечники из бронзы или тефлона (ПТФЭ).
Вопрос 4: Всегда ли швейцарская обработка подходит для тонких валов?
A4:Неа. Швейцарские машины невероятны, но у них есть два недостатка: размер и время установки.
Максимальный размер составляет от 32 до 38 мм. А установка направляющей втулки и оснастки для швейцарца сложна и-отнимает много времени.
Если вам нужен только небольшой прототип из трех деталей, установка швейцарского станка будет излишней. Это стоит времени и денег.
Вместо этого используйте опытного традиционного машиниста. Пусть они поработают на стандартном токарном станке с прочной опорой толкателя.
Вопрос 5: Могут ли программные трюки исправить прогиб, если у меня нет устойчивого отдыха или швейцарца?
A5:В какой-то степени да. Помимо трюка с обратной-подачей, о котором я упоминал ранее, вы можете использовать SSV (изменение скорости шпинделя) в своем G-коде. Программируя шпиндель на ускорение и замедление примерно на 10-15% во время резания, вы нарушаете резонанс, вызывающий вибрацию. Звучит странно, когда машина работает, но она работает как по волшебству.
Вопрос 6: Как просверлить центральное отверстие в крошечном валу диаметром 3 мм, не сгибая его мгновенно сверлом?
A6:Вы не можете просто воткнуть центральное сверло в крошечный, свободно-висящий провод. Вы должны полностью его поддерживать. Если вы не используете швейцарский станок, вам понадобится специальная разъемная латунная втулка.
Поместите его в шпиндель, чтобы кончик оставался полностью жестким, пока вы находите центральное отверстие. Без направляющей сверло просто отодвинет деталь в сторону и сломается.
Вопрос 7. Имеет ли охлаждающая жидкость такое большое значение для длинных валов или она важна только для срока службы инструмента?
A7:Это имеет решающее значение для стабильности размеров. Кусок нержавеющей стали толщиной 500 мм легко вырастет на 0,1 мм, просто нагревшись на ощупь. Если вы зафиксируете его между центрами, этот рост заставит его наклониться в сторону.
Вам нужна охлаждающая жидкость под высоким-давлением и большим-объемом на кончике инструмента. Это сохраняет сердцевину вала полностью замороженной на протяжении всего разреза.
Вопрос 8: Можете ли вы шлифовать тонкие валы, чтобы обеспечить жесткие допуски после токарной обработки?
A8:Да, и это настоятельно рекомендуется. Бесцентровое шлифование — это-второстепенная операция для тонких валов. Потому что регулирующее колесо и рабочий нож поддерживают деталь по всей длине.
Деталь не сгибается при прохождении через шлифовальные круги. как мы получаем зеркальную-отделку и микронную-точность, не создавая новых напряжений.
