Основы обработки тонкостенных стенок
Обработка тонкостенных материалов — это процесс обработки с ЧПУ, направленный на создание точных разрезов и форм в материалах толщиной обычно менее 2 мм. Его основная цель — производство сложных компонентов с тонкими деталями, требующими максимальной точности.
Применение тонкостенной обработки с ЧПУ для различных материалов представляет собой различные проблемы. Распространенные металлы включают титан, алюминий и нержавеющую сталь. Эти материалы прочные и долговечные, поэтому обращаться с ними необходимо осторожно, чтобы не допустить деформации. Полимеры, такие как АБС-пластик и поликарбонат, также широко используются из-за их гибкости и малого веса, хотя плохая механическая обработка может привести к их деформации. Благодаря исключительному соотношению прочности и веса композитные материалы, такие как полимеры, армированные углеродным волокном, становятся все более популярными. Однако, чтобы избежать расслоения или выдергивания волокон, эти материалы требуют точных параметров обработки. Чтобы обеспечить точные и высококачественные тонкостенные детали, необходимо полностью понимать свойства каждого материала, чтобы оптимизировать скорости подачи, скорости резания и траектории движения инструмента.
Применение обработки тонких стенок
Обработка тонкостенных деталей важна для многих отраслей промышленности, но особенно она важна для авиационной промышленности, где необходимо изготавливать сложные корпуса и легкие конструкционные детали.
Этот метод необходим в аэрокосмической промышленности для производства таких деталей, как блиски, ступицы, нервюры, рамы, обшивочные панели, стрингеры, переборки и лопатки турбин. Целью этих деталей является уменьшение объема необходимой механической сборки, поэтому в них нет болтов или заклепок, а компонент является однородным во всем.
Помимо аэрокосмической промышленности, обработка тонкостенных материалов находит применение и в других отраслях, например в автомобилестроении, где высокопрочные и легкие компоненты становятся все более важными. Производство современного и точного хирургического оборудования и имплантатов также помогает медицинской промышленности. Обработка тонкостенных материалов также используется в электронной промышленности для изготовления прочных и легких корпусов для различного оборудования.
Проблемы, возникающие при обработке тонкостенных стенок
При обработке тонкостенных деталей на станках с ЧПУ возникает множество проблем, среди которых главная — вибрации, возникающие из-за недостаточной жесткости стенок. Различают два вида вибраций: силовые и самоиндуцированные (вибрация).
Когда собственная частотная характеристика системы (FRF) стимулируется во время процесса фрезерования, происходит вибрация. Эта нестабильность обычно связана с вибрациями в инструменте, но важнее учитывать FRF детали, которая постоянно меняется в результате геометрических различий. Нестабильный процесс обработки возникает из-за изменения FRF вместе с формой детали. Операция может стать нестабильной в результате этой циклической тенденции, оставляя царапины на компоненте, которые снижают общее качество поверхности.
И наоборот, вынужденная вибрация возникает, когда жесткости детали недостаточно для поддержания постоянной толщины стружки. Под действием сил резания и инструмент, и заготовка деформируются, в результате чего возникают вибрации, возникающие с той же частотой, что и скорость шпинделя, или кратная ей. Изменяя динамику контакта между инструментом и заготовкой, это отклонение изменяет ширину стружки и влияет на силы резания. Эта нестабильность часто приводит к появлению дефектов на поверхности, которые делают конечный продукт более шероховатым.
Еще одной значительной проблемой, связанной с низкой жесткостью тонких стенок, являются размерные погрешности, вызванные прогибом детали. Тонкие стенки подвержены значительному статическому прогибу из-за давления резания, в отличие от жестких секций. Параметры резания, которые определяют силы резания и, следовательно, деформацию системы, и выбранный подход к обработке (фрезерование вверх или вниз) оказывают влияние на этот прогиб. Хотя прогиб обычно не устраняется полностью, высокоскоростное фрезерование помогает уменьшить остаточные напряжения и силы резания. Поскольку геометрия детали изменяется в реальном времени, зеркальное фрезерование, в частности, усугубляет эту проблему.
Более того, по мере увеличения размера и формы деталей, используемых при обработке тонкостенных деталей, увеличивается и их сложность. При использовании двойной кривизны обшивка часто не совмещается с зажимным механизмом, что приводит к перерезке. Соблюдение допусков на обработку с использованием обычных заготовок и приспособлений сложнее при работе с более крупными деталями, чем с монолитными блоками. Особенно сложно поддерживать точность и получать высококачественную отделку из-за этого перекоса и последующего перереза.
Выбор оптимальных инструментов
Правильный выбор инструмента имеет решающее значение для успеха обработки тонкостенных деталей. Важными факторами являются обрабатываемый материал, желаемый уровень полировки и необходимые допуски на размеры.
Чтобы уменьшить искажения и повысить точность при работе с чувствительными материалами, такими как пластик или алюминий, используйте специальные инструменты меньшего диаметра и меньшей высоты резания. На стабильность и качество процесса влияют производительность резания и скорость съема материала, на которые в значительной степени влияют геометрия инструмента и углы режущей кромки.
Инструменты с высокоэффективными покрытиями, включая алмазоподобный углерод (DLC) или нитрид титана (TiN), более эффективны и долговечны. Кроме того, инструменты с более высоким углом спирали обеспечивают лучшее качество поверхности и эвакуацию стружки.
Определение наилучших скоростей резания и подачи
Когда дело доходит до обработки на станках с ЧПУ, особенно обработки тонкостенных материалов, скорость резания и подача являются важными переменными. Для достижения наилучших результатов важно отрегулировать эти настройки в соответствии с конкретным материалом.
В целом, более быстрое удаление материала и более высокая производительность обусловлены более высокими скоростями резания. С другой стороны, точность и качество должны быть сбалансированы со скоростью. Чрезмерно высокая скорость резания может ухудшить качество готового изделия, вызывая нежелательную деформацию материала, повышенный нагрев и чрезмерный износ инструмента.
Еще одним важным фактором является скорость подачи, которая определяет скорость, с которой режущий инструмент проходит через материал. Качество поверхности и точность размеров изделия сильно страдают. Правильный выбор скорости подачи предотвращает такие проблемы, как чрезмерная вибрация и отклонение инструмента, а также гарантирует более гладкую поверхность и точные размеры.
Оптимизация траектории инструмента
При обработке тонкостенных стенок путь, пройденный режущим инструментом через материал, называется траекторией инструмента. Чтобы ограничить деформацию материала и достичь желаемых результатов, этот путь необходимо оптимизировать.
Существуют различные методы оптимизации траектории инструмента, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Непрерывная и плавная резка обеспечивается спиральными траекториями движения инструмента, которые уменьшают вероятность внезапных изменений направления, которые могут вызвать вибрации. Чтобы минимизировать отклонение инструмента и поддерживать постоянные условия резания, адаптивные траектории инструмента динамически адаптируются к геометрии материала. Благодаря своей точности и адаптируемости трехосные траектории инструмента подходят для обработки сложной геометрии, но их может потребоваться тщательно спланировать, чтобы предотвратить излишне большие перемещения инструмента.
Эффективные решения для удержания работы
Приспособление с ЧПУ
Решения для удержания заготовки являются ключом к эффективному предотвращению нестабильности при обработке тонкостенных деталей. Этот метод часто работает лучше, чем простое изменение настроек резания, особенно когда речь идет об изделиях, функцию частотной характеристики (FRF) которых трудно определить количественно и которые сильно меняются в процессе обработки.
Крепления и рабочие принадлежности
Одним из распространенных вариантов крепления тонкостенных деталей является использование вакуумных креплений. Доступны два основных типа: гибкие вакуумные чашки и индивидуальные вакуумные системы. Несмотря на то, что индивидуальные вакуумные системы более дороги и ограничены отдельными деталями, они обеспечивают надежность благодаря специальному оборудованию, изготовленному для каждой отдельной детали. Однако эти системы могут привести к тому, что деталь будет испытывать растягивающее напряжение, что может привести к деформации. И наоборот, гибкие вакуумные присоски или кровати повышают гибкость и уменьшают вибрации и отклонения за счет соответствия форме предмета с помощью регулируемых штифтов и вакуумных колпачков.
Для таких компонентов, как рабочие колеса, лопасти и блиски, часто используются гидравлические патроны или специальные челюсти. На ранних стадиях черновой обработки они эффективно предотвращают вибрацию и прогиб за счет снижения давления зажима и минимизации деформации в процессе обработки. Благодаря регулируемым рабочим креплениям, обеспечивающим поддержку в идеальных положениях, производительность можно еще больше повысить. Поскольку размещение определяется с помощью моделирования, а опоры размещаются в наиболее гибких точках, некоторые коммерческие крепления, например, созданы для компенсации энергии резания по всей детали. Чтобы обеспечить возможность внесения изменений в режиме реального времени и сбора исторических данных для оперативного руководства, эти системы часто оснащаются встроенными датчиками.
Передвижные светильники
Движущиеся приспособления синхронизируют движение инструмента с заготовкой для поддержания устойчивости при резке деталей с низкой жесткостью. Опорная деталь, которая движется коллинеарно с траекторией инструмента в этой технике — часто называемой «зеркальным фрезерованием» — эффективно поддерживает силы резания. Амплитуда вибрации и искажения значительно уменьшаются благодаря этой технологии, что улучшает качество поверхности. Система воздушной струи, синхронизированная с режущей головкой, — это еще одна техника, которая уменьшает прогиб и служит в качестве динамической опоры. Значительно снижая вибрацию заготовки, эта система воздушной струи может улучшить качество поверхности и точность толщины. Однако эти решения обычно ограничиваются более простыми геометриями и могут быть недостаточно гибкими для деталей более сложной формы.
Для панелей фюзеляжа более сложное подвижное приспособление использует магнитную систему крепления, состоящую из двух наборов магнитов. Главные магниты следуют за траекторией инструмента, а ведомые магниты на задней панели обеспечивают компенсационную поддержку за счет магнитного притяжения. Минимизируя силы трения, эта система минимизирует силы тяги во время фрезерования. Чтобы оптимизировать траектории движения инструмента, эти методы требуют значительных инвестиций и методов предварительного измерения. Тем не менее, некоторые производители выпускают зеркально-фрезерные центры с двухголовочными механизмами, обеспечивающими одновременную резку и поддержку.
Активные демпфирующие актуаторы
Активные демпфирующие приводы используют вихретоковое демпфирование (ECD) или пьезоэлектрические датчики для адаптации к изменяющимся условиям и предотвращения вибраций. С помощью этих технологий можно значительно улучшить стабильность обработки. Системы крепления заготовки с включенными в них пьезоактуаторами снижают вибрацию, улучшая качество поверхности и продлевая срок службы инструмента. Устройства ECD значительно снижают вибрацию при обработке за счет использования электромагнитной индукции для создания сил отталкивания. Предельную глубину резания можно значительно увеличить за счет активного демпфирования, сохраняя стабильность и точность при фрезеровании.
Устройства жесткости
Устройства жесткости увеличивают жесткость заготовки. Было продемонстрировано, что такие методы, как системы компенсации массы, сплавы с низкой температурой плавления (LMPA) и магнитореологические жидкости (MRF) работают хорошо. Под действием магнитного поля MRF изменяются из жидкого состояния в полутвердое, обеспечивая гибкую поддержку. Во время обработки LMPA заполняют пространство между деталью и приспособлением, затвердевая для обеспечения жесткости, а затем тают, не нанося никакого ущерба изделию. Вязкоупругие амортизаторы и энергопоглощающие пены являются примерами устройств компенсации массы, которые можно настраивать в соответствии с геометрией заготовки для снижения вибраций.
Советы и лучшие практики для достижения успеха
При обработке тонкостенных деталей может быть сложно добиться точности размеров и прямолинейности. Чтобы добиться большего успеха при фрезеровании тонкостенных стенок, запомните следующие важные советы:
- Используйте правильный инструмент: чтобы сохранить прочность инструмента при работе на большей глубине, используйте инструмент с шейкой вниз. Измерение длины ниже хвостовика (LBS) позволяет снизить трение при фрезеровании глубоких карманов и гарантировать надлежащее удаление стружки. Используйте правильный инструмент: чтобы сохранить прочность инструмента при достижении большей глубины, используйте инструмент с шейкой вниз. Измерение длины под хвостовиком (LBS) снижает трение при фрезеровании глубоких карманов и гарантирует надлежащее удаление стружки.
- Определите подходящую глубину резания: для поддержки стены используйте метод понижения осевой глубины резания (ADOC). Благодаря твердости материала общая высота стены разделяется на удобные глубины. Используя прогрессивный метод, снижая давление инструмента по мере увеличения высоты стенки и переключая стороны для сохранения устойчивости, можно достичь радиальной глубины резания (RDOC). Для уменьшения вибрации и лучшей полировки поверхности используйте легкие проходы в конце.
- Попутное фрезерование. При этом методе стружка выбрасывается за фрезу, одновременно снижая нагрев и трение. Направляя тепло в стружку, а не в инструмент или заготовку, это продлевает срок службы инструмента, снижает затраты и улучшает полировку компонентов.
- Стабилизация стен: Для гашения вибрации вручную и стабилизации стен используйте термопластичные компаунды или воск (который легко удаляется термическим путем).
- Траектории инструмента HEM: для повышения скорости съема материала, минимизации износа инструмента и повышения производительности инструмента высокоэффективное фрезерование (HEM) сочетает низкий RDOC с высоким ADOC и увеличенными скоростями подачи.
Примечания к упаковке продуктов для обработки тонкостенных материалов
пузырчатая пленка внутри картонной коробки
Изделия для обработки тонких стенок должны быть тщательно упакованы, чтобы избежать повреждений во время транспортировки. Надежно зафиксируйте каждый компонент, уменьшив движение, используя пенопластовые вставки или изготовленные на заказ формы. Чтобы защитить от столкновений, покройте каждый компонент защитным слоем мягкой пены или пузырчатой пленки. Убедитесь, что упаковка хорошо сделана и имеет маркировку «хрупкое», чтобы обработчики знали, что нужно проявлять осторожность. При двойной упаковке следует использовать достаточную прокладку между слоями для дополнительной защиты. Хорошо упакованный набор деталей сохраняет качество и точность размеров ваших прецизионных компонентов даже после их доставки.
