Введение
После появления CNC обрабатывающие деталиИнженеры часто сталкиваются со сложными проблемами, которые порой трудно обнаружить на этапе проектирования. Одна из наиболее распространенных проблем — это обработка тонкостенных конструкций. Низкая жесткость. Стенка прогибается под действием силы резания. Это приводит к вибрации. На поверхности появляются следы вибрации. Прогиб вызывает отклонения в размерах. Увеличивается процент брака.
В этом руководстве рассматриваются основные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при обработке тонкостенных деталей. Мы также рассмотрим, какие процессы обработки на станках с ЧПУ обеспечивают успешное изготовление этих сложных компонентов. Пятиосевая обработка меняет правила игры в обработке тонкостенных деталей. Давайте начнем.
Почему обработка тонкостенных деталей на станках с ЧПУ представляет собой сложную задачу?
В чем заключаются основные проблемы, возникающие при обработке тонкостенных деталей на станках с ЧПУ? Инженеры компании NOBLE выделили 6 ключевых областей:
Низкая жесткость и статическое отклонение
Представьте себе тонкую стену. За ней нет массы. Режущий инструмент давит на материал. Эта сила отгибает стену от инструмента. Затем стена возвращается в исходное положение после прохода. Это статическое отклонение.
В результате возникает погрешность размеров. Деталь сходит с конвейера меньшего размера или имеет неправильную форму. Операторы измеряют её. Она не проходит контроль качества. Эта проблема усугубляется по мере уменьшения толщины стенок. Быстрое прототипирование часто выявляет проблему на ранней стадии, но объёмы производства увеличивают каждую ошибку.
Дребезжание и гармонические колебания
Каждая деталь имеет свою собственную частоту. Тонкие стенки имеют низкую собственную частоту. Частота прохода зубьев режущего инструмента может совпадать с этой собственной частотой. Когда это происходит, включается резонанс. Стенка вибрирует. Сильно.
На обработанной поверхности появляются следы вибрации. Срок службы инструмента сокращается. Качество поверхности ухудшается. Иногда вибрация становится настолько сильной, что оператор слышит её на другом конце цеха. Обработка по оси 5 Здесь это может помочь, поскольку ориентация инструмента меняет динамику взаимодействия. Но физические принципы остаются теми же. Низкая жесткость способствует вибрации.
Накопление тепла и тепловая деформация
Тонкие секции плохо рассеивают тепло. Твердый металлический блок отводит тепло от зоны резки. Тонкая стенка этого сделать не может. Тепло накапливается в материале.
Стенка локально расширяется. Затем она остывает после обработки — форма меняется. Термическая деформация нарушает допуски, которые казались правильными сразу после резки. Операторы измеряют деталь через час и обнаруживают, что она сместилась. Это настоящий кошмар для прецизионная обработка с ЧПУ работа. Решение заключается в контроле подводимой тепловой энергии, а не только сил резания.
Деформация зажима и фиксации заготовки
Обычные тиски отлично подходят для сплошного блока. Сильно сожмите его — и блок не сдвинется с места. Но что делать с тонкостенной деталью? Совсем другая история. Губки тисков раздавят стенку. Или деформируют всю форму еще до начала резки.
Операторы часто измеряют деталь после обработки. Затем они разжимают зажим. Стенка возвращается к своей первоначальной деформированной форме. Деталь не проходит контроль качества. Проблема заключалась не в обработке, а в зажиме. Решения включают использование мягких зажимных губок, зажимных приспособлений или клеевого крепления. Стандартные методы обработки на станках с ЧПУ необходимо переосмыслить для обработки тонких стенок.
Остаточные напряжения и деформация
Металлическая заготовка поступает с прокатного стана с внутренними напряжениями. Прокатка, экструзия и термообработка — все эти процессы создают напряжения в материале. Когда токарь удаляет материал из цельного блока, эти напряжения снимаются неравномерно. Деталь деформируется.
Для толстых деталей деформация невелика. Для тонкостенных деталей тот же процесс снятия напряжений вызывает значительные искажения. Плоская стенка становится изогнутой. Круглая деталь превращается в овальную. Черновая обработка с последующими циклами снятия напряжений может помочь. Быстрое прототипирование осуществляется из материалов с низким уровнем напряжений, таких как алюминий, что позволяет выявить закономерности деформации до того, как в серийном производстве начнут использовать более твердые металлы.
Отклонение инструмента
Режущий инструмент гнется. Короткая, толстая концевая фреза жесткая. Длинная, тонкая концевая фреза – нет. Для обработки тонкостенных деталей часто требуются инструменты с большим вылетом, чтобы получить доступ к глубоким элементам. Такой вылет имеет свою цену.
Инструмент деформируется под действием режущей нагрузки. Деформация изменяется в зависимости от толщины стенки инструмента. Чистота поверхности Страдает. Допуски смещаются. Иногда инструмент ломается. 5-осевая обработка позволяет использовать более короткие инструменты, поскольку деталь можно переставлять. Более короткие инструменты означают меньшую деформацию. Это реальное преимущество, когда стенки тонкие и доступ затруднен.
Проверенные стратегии повышения эффективности обработки тонкостенных материалов на станках с ЧПУ.
Вот четыре категории проверенных стратегий. Примените их на заводе. Изготовление тонкостенных деталей станет возможным, а не сложным.
1. Крепление и поддержка заготовки
Хорошо подходят присадочные материалы. Низкоплавкие сплавы заливаются в полые элементы. Затем их обрабатывают на станке и расплавляют. Воск подходит для пластмасс. Уретан — для нестандартных форм. Жертвенные опоры и выступы соединяют тонкую стенку с более толстым материалом. Выступы срезают в конце.
Вакуумные патроны удерживают плоские, тонкие детали, не деформируя их. Конформные мягкие зажимные губки обрабатываются таким образом, чтобы точно соответствовать детали. Отсутствие точечных нагрузок. Отсутствие деформации. Опорные заглушки устанавливаются за углублениями и тонкими стенками. Заглушка поддерживает стенку снизу. Инструмент толкает. Заглушка оказывает обратное давление. Обработка на станках с ЧПУ снова становится предсказуемой.
2. Траектория движения инструмента и стратегия резки
Снизьте усилие резания. Меньшее усилие означает меньшую деформацию.
Высокоскоростная обработка меняет правила игры. Легкое радиальное зацепление. Высокие скорости подачи. Трохоидальное фрезерование использует круговые траектории движения инструмента для минимизации зацепления. При использовании этого метода наблюдается значительное улучшение качества обработки тонкостенных материалов.
Попутное фрезерование. Всегда. Никогда не традиционное. Стружка сначала толстая, а затем становится тонкой. Инструмент втягивается в заготовку, а не отталкивается от нее. Чередование направлений резания уравновешивает остаточные напряжения на противоположных стенках. Режьте одну стенку, двигаясь вверх. Режьте противоположную стенку, двигаясь вниз. Силы компенсируют друг друга.
Наклонная и винтовая обработка всегда превосходят врезание. Врезание обеспечивает прямолинейное движение вниз. Высокая сила. Высокая температура. Наклонная обработка распределяет зацепление на расстояние. Винтовая обработка делает то же самое по кругу. Пятиосевая обработка позволяет получить лучшие углы входа для тонкостенных карманов.
3. Выбор и настройка инструмента
Обеспечьте максимальную жесткость инструмента. Минимально возможный вылет не подлежит обсуждению. Выдвигайте инструмент настолько, насколько это необходимо. Не дальше.
Фрезы с изменяемой геометрией канавок и изменяемой спиралью подавляют гармонические колебания. Неравномерное расстояние между канавками предотвращает возникновение резонанса. Стандартные инструменты издают вибрацию. Инструменты с изменяемой геометрией режут плавно.
Инструменты с большим диаметром стержня жестче стандартных концевых фрез. Внешний диаметр тот же. Больше стали в центре. Твердосплав — это базовый вариант. CBN и PCD тверже и жестче, но стоят дороже. Для тонких титановых стенок дополнительные затраты окупаются.
4. Последовательность операций
Управляйте напряжением в соответствии с технологическим процессом. Сначала изучите деталь. Оставьте материал на стенках. Отправьте деталь на снятие напряжения — термическую или криогенную обработку. Затем верните ее для финишной обработки.
Черновая обработка удаляет большую часть материала. Процедура снятия напряжений позволяет детали деформироваться самостоятельно, а не во время чистовой обработки. Затем чистовая обработка удаляет оставшийся небольшой объем материала. На стенку воздействует низкая сила резания, и остаточное снятие напряжений не происходит.
Адаптивная финишная обработка тоже имеет значение. Несколько легких проходов вместо одного тяжелого. Первый финишный проход удаляет основную часть оставшегося материала. Второй проход доводит изделие до окончательного размера. Стенка деформируется меньше, потому что каждый проход удаляет меньше материала. Быстрое прототипирование помогает точно настроить эти последовательности до того, как серийное производство определится с методом.
Лучшие процессы обработки на станках с ЧПУ для тонкостенных деталей
Не все процессы обработки на станках с ЧПУ одинаково подходят для тонких стенок. Необходимо подбирать процесс в соответствии с геометрией детали. Вот как сравниваются основные методы.
Фрезерные (3, 4, 5-осевые) – Наиболее универсальные
Токарная обработка применяется к цилиндрическим тонкостенным изделиям: трубам, втулкам, сильфонам и тонкостенным кольцам. Деталь вращается. Инструмент перемещается линейно.
Обратное вращение отводит инструмент от патрона. Это уменьшает отрыв при обработке длинных тонких стенок. При токарной обработке методом «снятия оболочки» требуется несколько легких проходов вместо одного тяжелого резания. Люнеты поддерживают деталь в точке контакта инструмента. Для труб с очень тонкими стенками внутренний диаметр заполняют низкоплавким сплавом перед вращением. Затем его расплавляют. Поддержка делает резание возможным.
Токарная обработка с ЧПУ (Токарный станок) – для цилиндрических деталей
Токарная обработка применяется к цилиндрическим тонкостенным изделиям: трубам, втулкам, сильфонам и тонкостенным кольцам. Деталь вращается. Инструмент перемещается линейно.
Обратное вращение отводит инструмент от патрона. Это уменьшает отрыв при обработке длинных тонких стенок. При токарной обработке методом «снятия оболочки» требуется несколько легких проходов вместо одного тяжелого резания. Люнеты поддерживают деталь в точке контакта инструмента. Для труб с очень тонкими стенками внутренний диаметр заполняют низкоплавким сплавом перед вращением. Затем его расплавляют. Поддержка делает резание возможным.
Токарный станок швейцарского типа – для мелких, тонких деталей.
Этот станок отлично подходит для обработки мелких, тонких деталей диаметром менее 1.5 дюймов. Медицинские компоненты. Корпуса электронных разъемов. Миниатюрные тонкостенные втулки.
Преимущество заключается в направляющей втулке. Она поддерживает материал непосредственно в месте резания инструмента. Практически отсутствует вылет инструмента. Материал не отталкивается. Получаются тонкие стенки с исключительной округлостью и качеством поверхности. Быстрое прототипирование на швейцарском токарном станке часто показывает, что деталь поддается механической обработке, в то время как традиционное токарное производство оказывается неэффективным.
Электроэрозионная обработка (Электроэрозионная обработка) – для экстремально тонких стенок
Иногда врагом являются силы резания. Даже легкие силы фрезерования могут деформировать стенку. Электроэрозионная обработка решает эту проблему. Силы резания нет. Материал разрушается искрой.
Этот метод подходит для стенок тоньше 0.3 миллиметра. Закаленная сталь — распространенный вариант применения. Формы с тонкими ребрами. Медицинские инструменты с деликатными деталями. Недостаток — скорость. Электроэрозионная обработка — медленный процесс. Но для чрезвычайно тонких стенок в твердых металлах это единственный надежный метод.
Лазерная и гидроабразивная резка – для тонких 2D-профилей
Эти процессы подходят для тонких профилей 2D, плоских деталей, прокладок, шайб, тонких кронштейнов. Материал не подвергается режущей силе. Лазерная резка использует тепло. Водоструйная резка использует абразив в воде под высоким давлением.
Ни один из методов не создает деформации. Ограничение заключается в геометрии. Лазерная и гидроабразивная резка не позволяют вырезать глубокие пазы или внутренние трехмерные элементы. Они лучше всего подходят для сквозной резки плоских заготовок.
Таблица для быстрого поиска и устранения неисправностей
Операторам на заводе нужны быстрые ответы. Вот краткое руководство. Сопоставьте проблему с решением. Никакой теории. Только то, что работает.
| Вызов | Лучшая стратегия |
| Болтовня | Трохоидальные траектории движения инструмента плюс концевая фреза с регулируемым расстоянием между канавками. Неравномерное расстояние между канавками подавляет гармонические колебания. |
| Обрушение (стена опрокидывается) | Наполнитель внутри полости. Низкоплавкий сплав или воск. Конформные мягкие зажимы, обработанные в соответствии с формой детали. Отсутствие точечных нагрузок. |
| Накопление тепла | Высокоскоростная обработка для уменьшения количества стружки. Подача охлаждающей жидкости через инструмент для отвода тепла от зоны резания. |
| Деформация после снятия зажима | Черновая обработка детали. Отправка на снятие внутренних напряжений. Последующая чистовая обработка. Деталь деформируется во время снятия внутренних напряжений, а не во время чистовой обработки. |
| Подъем тонкого напольного покрытия | Вакуумный патрон притягивает пол, выравнивая его. Клейкое приспособление для мелких деталей на жертвенной пластине. Деталь отламывается с помощью нагрева или растворителя. |
Операторы, применяющие эти стратегии, могут снизить процент брака, увеличить время безотказной работы оборудования и повысить вероятность прохождения деталями контроля качества.
Распространенные ошибки, которых следует избегать при обработке тонкостенных деталей на станках с ЧПУ.
Вот некоторые ошибки, с которыми сталкивались инженеры NOBLE при обработке тонкостенных деталей. Избегайте этих четырех. Работа значительно упростится.
Использование обычных щелевых проходов на тонких стенках
При фрезеровании пазов по всей ширине инструмента задействуется весь его диаметр. Сила резания резко возрастает. Стенка деформируется. Начинается вибрация. Деталь часто задевает поверхность. Трохоидальное фрезерование или высокоскоростная обработка с легким радиальным зацеплением дают лучшие результаты. Небольшие шаги. Высокие скорости подачи. Стенка испытывает меньшую силу и остается на своем месте.
Игнорирование направления попутного фрезерования
Попутное фрезерование не является необязательным для тонких стенок. Инструмент врезается в материал. Стружка сначала толстая, а затем тонкая. Фреза втягивается в заготовку. Традиционное фрезерование делает обратное. Инструмент сначала трется, а затем режет. Стружка сначала тонкая, а затем толстая. Фреза отталкивается от стенки. Отклонение происходит мгновенно.
Чрезмерный вылет инструмента
Каждый миллиметр выступа сверх необходимого снижает жесткость. Инструмент гнется. Начинается вибрация. Качество поверхности ухудшается. Многие токари берут длинный инструмент и используют его. Это ошибка. Используйте самый короткий инструмент, который достает до нужного элемента. Если большой вылет неизбежен, используйте концевую фрезу с конической шейкой или инструмент с большим диаметром стержня. Жесткость важнее удобства.
Забыть о снятии стресса до окончания работы
Черновая обработка удаляет большую часть материала. Остаточные напряжения, запертые внутри заготовки, освобождаются. Деталь смещается. Если оператор сразу переходит к чистовой обработке, чистовой проход вырезает форму, которая больше не соответствует заданным параметрам. Процент брака возрастает.
Решение простое, но его часто пропускают. Черновая обработка детали. Извлечение из станка. Отправка на снятие напряжений — термическое или криогенное. Затем повторная настройка для финишной обработки. Во время снятия напряжений деталь стабилизируется. При финишной обработке деталь находится в неподвижном состоянии. Быстрое прототипирование без этого шага создает ложное чувство уверенности. Истина раскрывается при серийном производстве. Не пропускайте снятие напряжений.
О компании NOBLE – Точная обработка с ЧПУ тонкостенных деталей
NOBLE — это специализированный завод по обработке деталей на станках с ЧПУ. К нам обращаются за высокоточными, сложными компонентами.
В центре нашего внимания – решение сложных задач. Тонкостенные детали, которые другие заводы забраковывают. Жесткие допуски, позволяющие максимально использовать возможности оборудования. Сложные материалы, такие как титан, инконель и закаленная сталь. Мы обладаем многолетним опытом в области высокоточного производства.
Наши основные возможности обработки на станках с ЧПУ
Фрезерование на станках с ЧПУ (3, 4 и 5 осей)
Высокоскоростная обработка тонких стенок и глубоких карманов. Одновременная пятиосевая обработка сложных контуров и подрезов. Возможность пятиосевой обработки позволяет использовать более короткие инструменты и обеспечивает лучший доступ к труднодоступным элементам.
Токарная обработка на станках с ЧПУ (с приводным инструментом и многоосевая обработка)
Диаметры до 300 миллиметров. Использование приводного инструмента позволяет выполнять фрезерно-токарные операции за одну установку. Сокращение трудозатрат обеспечивает более высокую точность. Меньше шансов на ошибку.
Токарный станок швейцарского типа
Конструкция с подвижной передней бабкой. Идеально подходит для обработки тонкостенных медицинских и электронных компонентов малого диаметра. Направляющая втулка поддерживает материал непосредственно в месте резки. Минимальное отклонение. Высокая точность.
Дополнительные процессы
Электроэрозионная обработка проволокой для твердых материалов и тонких пазов. Шлифовка поверхности для обеспечения плоскостности и чистоты обработки. Лазерная маркировка для обеспечения прослеживаемости. Собственная сборка при необходимости. Также предоставляются услуги финишной обработки: удаление заусенцев, пассивация и анодирование. Один завод. Многоэтапная обработка.
Сертификаты качества
В высокоточной работе доверие имеет решающее значение. Наши сертификаты подтверждают работоспособность систем.
ISO 9001: 2015
Система управления качеством. Стабильное качество. Непрерывное совершенствование. Строгий контроль и документирование производственных процессов.
ISO 13485: 2016
Управление качеством медицинских изделий. Данная сертификация подтверждает нашу способность производить компоненты для хирургических инструментов, имплантатов и диагностического оборудования. Повышенная прослеживаемость. Управление рисками. Соответствие нормативным требованиям.
Почему стоит сотрудничать с нами при поставке тонкостенных деталей?
Доказанный опыт в стратегиях крепления и траектории движения инструмента. Мы устраняем деформацию, а не боремся с ней. Сертифицированные системы контроля качества гарантируют, что каждая тонкостенная деталь соответствует техническим требованиям чертежа. Никаких догадок. Никакой доработки.
Наши станки управляются передовыми системами CAM-программирования. Высокоскоростной фрезерный станок. Трохоидальное фрезерование. Адаптивная зачистка. Все оптимизировано для обработки деталей с низкой жесткостью. Те, кто использует стандартные траектории обработки тонкостенных деталей, выбрасывают их. Мы этого не делаем.
Быстрое прототипирование позволяет клиентам тестировать стратегии до начала серийного производства. Одна деталь или десять тысяч. Мы масштабируем производство. Те же стратегии, которые работают для прототипа, работают и для серийного производства. В этом и заключается отличие NOBLE.
FAQ
Почему обработка тонкостенных деталей на станках с ЧПУ считается сложной задачей?
Тонкостенные детали обладают недостаточной жесткостью. Низкая жесткость — основная проблема. Силы резания толкают стенку. Она деформируется. Начинается вибрация. На поверхности появляются следы вибрации. Нагревается материал, поскольку тонкие участки не могут его рассеять. Остаточные напряжения от заготовки снимаются во время обработки. Пружинящий эффект искажает размеры. Стандартные зажимы только усугубляют ситуацию. Губки тисков деформируют стенку или коробят всю деталь еще до начала резки.
Какова оптимальная стратегия траектории движения инструмента для тонкостенных конструкций?
Трохоидальное фрезерование в сочетании с высокоскоростной обработкой широко считается наилучшим подходом. Хорошо работает малый радиальный зацеп, обычно от пяти до десяти процентов диаметра инструмента. Большая осевая глубина обеспечивает постоянное режущее усилие. В результате снижаются и остаются постоянными низкие силы резания. Вибрация значительно уменьшается. Те, кто переходит от традиционного фрезерования пазов к трохоидальным траекториям, сразу же видят улучшения.
Какой процесс обработки на станках с ЧПУ лучше всего подходит для тонкостенных деталей?
Ответ зависит от геометрии детали.
- ЧПУ фрезерование с Высокоскоростные или трохоидальные стратегии лучше всего подходят для корпусов, карманов и ребер. Пятиосевая обработка позволяет наклонять инструмент и уменьшать усилие зацепления.
- ЧПУ поворот с Опорная стойка или раздвижная оправка хорошо подходят для работы с трубами и втулками. Опора предотвращает деформацию во время резки.
- швейцарского типа токарные станки превосходить для тонкостенных деталей малого диаметра (менее 1.5 дюймов). Направляющая втулка поддерживает материал непосредственно в точке резания.
- Провод EDM is Для экстремальных случаев. Толщина стенок менее 0.3 миллиметра. Закаленные материалы. Нулевая сила резания означает полное отсутствие деформации.
- Лазерная или гидроабразивная резка резки работает Для плоских тонких 2D-профилей. Прокладки, шайбы, простые кронштейны.
Вы умеете одновременно заниматься прототипированием и крупносерийным производством тонкостенных деталей?
Да. Наша услуга быстрого прототипирования от 1 до 10 единиц позволяет клиентам тестировать свои проекты перед запуском массового производства. Тот же производственный процесс может быть масштабирован для выпуска 10 000 единиц и более. Сертифицированная по ISO система управления качеством NOBLE гарантирует высочайшее качество всего, что мы делаем, каждый раз. Мы всегда работаем слаженно, независимо от того, первый это продукт или 10 000-й. Мы придерживаемся правил и всегда соблюдаем установленные допуски. Именно к этому мы стремимся.
