La brasatura è un processo di lavorazione altamente efficiente e preciso utilizzato per produrre complessi profili interni ed esterni come le chiavi, le spline, le serrazioni e i contorno di colomba. Funziona forzando uno strumento di taglio multi-toothed - la brocca - in modo lineare passato o attraverso un pezzo di lavoro, con ogni dente successivo che rimuove uno spessore predeterminato di materiale.

Tipi di Stress Attivi sugli strumenti di aggancio

Durante un'operazione di broaching, lo strumento sperimenta contemporaneamente più campi di stress, che possono essere classificati in generale in categorie meccaniche, termiche e residue, e che svolgono un ruolo distinta nell'usura degli utensili e nel potenziale fallimento.

Stress meccanico

Lo stress meccanico deriva dalle forze di taglio necessarie al materiale di taglio del pezzo, mentre il brocca avanza, ogni dente si impegna a lavorare, generando componenti di forza assiale, radiale e tangenziale.

  • Lo stress assiale[[]] è la forza primaria che spinge o tira la brocca attraverso il pezzo.
  • Lo stress radiale[[] deriva dall'interazione tra i bordi di taglio della brocca e le pareti del pezzo, soprattutto nella brocciatura interna. L'equilibrio radiale improprio può causare deflettori o chiacchiere degli utensili.
  • Lo stress tanigente (hoop)[[] è particolarmente significativo nella broccatura interna dove lo strumento ruota leggermente a causa di disallineamento del bordo di taglio.

L'effetto cumulativo di queste forze crea un profilo di stress complesso lungo la lunghezza della brocca. Le alte concentrazioni di stress meccanico si verificano a radici di dente, gullets di chip e eventuali discontinuità geometriche. Se la resistenza alla resa del materiale utensile viene superata, può verificarsi deformazione permanente o frattura catastrofica. Ad esempio, in tirare la brocca di acciaio temprato, forze assiali possono superare 50 kN, imponendo notevoli tensioni di testa e di trazione.

Stress termico

L'attrito tra i denti di brocca e il pezzo, combinato con la deformazione plastica del materiale, genera un calore localizzato intenso. Le temperature al bordo di taglio possono salire rapidamente sopra i 600°C (1112°F), specialmente ad alta velocità di taglio o con scarsa lubrificazione.

  • L'espansione termica[] del materiale utensile, che può alterare le dimensioni del broccato e portare a legare nei passaggi interni.
  • L'ammorbidimento termico[] del bordo di taglio, riducendo la sua durezza e accelerando l'usura.
  • La stanchezza termica[[]] da ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento, causando crepe di superficie o la scheggiatura del bordo.

Il coefficiente di espansione termica dell'acciaio ad alta velocità (HSS) è di circa 12 × 10−6 /°C, il che significa un aumento di 100°C in una brocca da 500 mm provoca un'espansione assiale di circa 0,6 mm, purché causasse interferenze o disallineamento.

Sforzo residuo

Le sollecitazioni residue vengono bloccate nello strumento durante i processi produttivi come il trattamento termico, la rettifica o il rivestimento. Queste sollecitazioni interne possono combinare con le sollecitazioni operative per spingere lo stress totale oltre i limiti sicuri. Ad esempio, una brocca che è stata carburata e indurita può contenere tensioni residue di compressione nello strato superficiale che effettivamente migliora la resistenza alla fatica.

Meccanismi della frantumazione durante il broaching

Strain si riferisce alla deformazione del materiale utensile in risposta allo stress applicato. In broaching, la tensione si manifesta sia in forme elastiche (recuperabili) che in plastica (permanente).

Strainetto elastico

In condizioni di funzionamento normali, la brocca subisce flessione elastica e torsione a causa di forze di taglio. Questa elasticità è critica perché causa lo strumento di deflettore, potenzialmente portando a geometria di parte povera o strumento "push-off" dove la brocca devia dal percorso previsto. Per lunghi, sottili brocche di taglio con elevati rapporti di lunghezza-diametro, la cotta elastica può diventare una modalità di guasto.

Strainetto di plastica

Se lo stress supera la resistenza alla resa del materiale utensile, si verifica una deformazione permanente come la piegatura della brocca, l'allungamento del gambo, o il "creep" dei denti. La varietà di plastica è tipicamente catastrofica perché compromette immediatamente la precisione della parte broccata e spesso richiede che lo strumento venga raschiato.

Fattori che influenzano lo stress e le magnitudini dello strain

La gravità dello stress e della tensione su uno strumento di broaching è regolata da una combinazione di proprietà del pezzo, parametri di taglio, progettazione degli utensili e condizioni ambientali.

Proprietà dei materiali del pezzo

Gli acciai induriti (sopra 40 HRC) generano maggiori sollecitazioni meccaniche e più calore dei materiali più morbidi come alluminio o ottone. Gli acciai inossidabili, con la loro tendenza a lavorare-indurimento, creano ulteriore sforzo sul bordo di taglio. Materiali con bassa conducibilità termica, come leghe di titanio, concentrano il calore sull'interfaccia di lavoro-attrezzo 3.0, eserbano l'utile

Parametri di taglio: velocità, alimentazione e inserimento

La velocità di taglio e il mangime per dente sono i due parametri principali che gli operatori possono regolare. Le velocità di taglio più elevate aumentano il tasso di produzione di calore, aumentano lo stress termico. Il mangime per dente determina lo spessore del chip e quindi il carico meccanico su ogni dente. L'alimentazione eccessiva può causare rottura dei denti, mentre un mangime troppo basso aumenta la sfregatura e il calore.

Geometria e materiale dello strumento

Gli elementi di geometria del brodo di brodo di rastrello, angolo di sdoganamento, campo di denti e dimensioni del gullet. Un angolo di rastrello positivo (5°-15°) riduce le forze di taglio e la generazione di calore, ma può indebolire il bordo di taglio.

Raffreddamento e lubrificazione

Il metodo di applicazione, il tipo e la portata del liquido di taglio influiscono in modo significativo sia sullo stress meccanico che termico. Un fluido di taglio a base di olio con additivi ad estrema pressione (EP) forma uno strato di confine che riduce l'attrito e il calore. Le emulsioni idrosolubili offrono una maggiore capacità di calore per la dissipazione del fluido termico.

Rigidità e allineamento della macchina

Le macchine di allevamento devono fornire una piattaforma rigida e stabile. Qualsiasi gioco o disallineamento nel supporto della brocca, testa di tiro o dispositivo del pezzo introduce momenti di flessione che aumentano le concentrazioni di stress. Le moderne macchine di broccatura spesso utilizzano sistemi idraulici o meccanici servo-drivi con monitoraggio della forza in tempo reale. Una macchina dismessa può causare una distribuzione uniforme dello stress attraverso i denti di brocca, portando al fallimento prematuro di denti specifici e di qualità non uniforme.

Misurazione e analisi di stress e di strain

Per ottimizzare le operazioni di broaching, gli ingegneri si affidano sia ai metodi sperimentali che computazionali per quantificare lo stress e la tensione degli strumenti.

Analisi degli elementi finiti (FEA)

I modelli FEA simulano il processo di broaching, distinguendo lo strumento e il pezzo in piccoli elementi. Gli input includono proprietà materiali, condizioni di confine e forze di taglio. FEA prevede contorni di stress, deflettori e distribuzione della temperatura. Ad esempio, uno studio di Shi et al. (2015)] utilizzato FEA per dimostrare che lo stress massimo di radice di von Mises si verifica a

Gabbie di stelo sperimentale

Gli estensimetri fisici possono essere attaccati al corpo della brocca, in modo tipico sullo stinco o su appartamenti appositamente fresati, per misurare la tensione elastica in tempo reale. Le letture di ceppo possono essere convertite in stress utilizzando la legge di Hooke e il modulo elastico dello strumento. Questo metodo fornisce la convalida diretta dei modelli FEA e aiuta a identificare anomalie di processo come il sovraccarico degli utensili o il disallineamento.

Monitoraggio delle condizioni degli strumenti

Un aumento improvviso del carico del mandrino o un cambiamento della firma delle vibrazioni spesso indica un guasto legato allo stress, come la piegatura del dente o dell'utensile. Le moderne macchine di broccatura integrano sensori che arrestano automaticamente il ciclo se le soglie di forza preimpostate vengono superate, impedendo la rottura di utensili catastrofici.

Strategie per la gestione dello stress e della vita degli strumenti in attesa

Controllando i fattori che causano stress e stress, i produttori possono migliorare significativamente la longevità degli utensili e l'affidabilità del processo.

Selezione ottimale del materiale e del rivestimento degli utensili

Per la broccatura ad alta produzione di acciai, la metallurgia ad alta polvere HSS (ad esempio, ASP 2030) con un rivestimento TiAlN offre un eccellente equilibrio di durezza e durezza calda. Per la spillatura di materiali abrasivi come ghisa, brocche di metallo duro con un rivestimento dettagliato di carbonio (DLC) diamangiare i fornitori di materiale per gli ultimi gradi, specificatamente ottimizzato per la broccatura.

Ottimizzazione della geometria

Aumentare il raggio di gronda e approfondire lo spazio chip può ridurre la compressione del chip e conseguente stress. Per gli strumenti lunghi, incorporare un design di pitch variabile aiuta a rompere le vibrazioni armoniche che causano fatica. Inoltre, utilizzando un "roughing" e "finishing" insieme di spille divide il carico di rimozione del materiale, riducendo lo stress su qualsiasi singolo strumento.

Regolazione del parametro di processo

Inizia con velocità di taglio conservativo e mangimi basati sulla valutazione della lavorabilità del materiale. Aumentare gradualmente la velocità fino all'inizio del chiacchieratore di utensili o calore eccessivo, quindi indietro del 15-20%. Considerare ridurre il numero di denti impegnati utilizzando un broach con un passo più grande: questo abbassa la forza di taglio totale, ma richiede un colpo di strumento più lungo.

Strategie di raffreddamento avanzate

Per lubrificanti a base di olio, assicurarsi che il fluido abbia additivi EP come zolfo o cloro. Considerare il raffreddamento dell'alluvione per lunghi colpi di broaching interni per prevenire l'accumulo termico. In casi gravi, il raffreddamento criogenico utilizzando azoto liquido è stato dimostrato per ridurre drasticamente la temperatura degli utensili e aumentare la vita.

Ispezione regolare e manutenzione predittiva

Programmare l'ispezione periodica degli strumenti di broccatura utilizzando magnifier, test di penetrazione del colorante o test di corrente eddy per le crepe di superficie. Misurare le dimensioni degli utensili con un micrometro di brocca per rilevare l'usura o la deformazione della plastica. Tenere un registro di utilizzo degli strumenti e modalità di guasto per identificare i modelli di stress.

Migliori Pratiche per l'implementazione del pavimento del negozio

  • Attrezzo di preriscaldamento:[ Per operazioni di brocciatura pesanti, preriscaldare la brocca a 100–150°C riduce lo shock termico all'inizio del taglio.
  • Utilizzare i dispositivi di allineamento appropriati:[ Assicurare che il pezzo sia bloccato in modo sicuro e la brocca è guidata con boccole per evitare la piegatura.
  • Monitor chip form:[ Thin, chip curled indicano un buon taglio; spessi chip segmentati segnalano eccessivo stress o usura degli strumenti.
  • Seleziona la filtrazione del refrigerante: Mantenere un rifornimento di refrigerante pulito per evitare i fori di intasamento del refrigerante o introdurre particelle abrasive che aumentano l'usura.
  • Operatori di settore:[] Educare gli operatori sull'importanza di seguire i parametri consigliati e riconoscere i segni di stress degli utensili.

Conclusioni

La ricerca e la ricerca di strumenti di monitoraggio durante il funzionamento sono frutto di un complesso gioco di forze meccaniche, effetti termici e residui di stress di produzione. La comprensione di questi fenomeni e il controllo dei fattori di influenza, dalle proprietà dei materiali del pezzo ai parametri di taglio, geometria degli utensili e metodi di raffreddamento, i produttori possono raggiungere una maggiore durata degli utensili, una maggiore qualità dei pezzi e un ridotto downtime.