Влияние параметров резки на формирование бура в обрабатывающих операциях

В обрабатывающих операциях образование заусенцев остается постоянной проблемой, которая непосредственно влияет на качество деталей, точность размеров и безопасность оператора. Заусеницы - нежелательные, нерегулярные выступы, оставленные на заготовке после резки, сверления или фрезерования - могут поставить под угрозу функцию точных компонентов, увеличить трудности сборки и потребовать дорогостоящей вторичной отделки. Понимание того, как параметры резки влияют на образование заусенцев, имеет важное значение для оптимизации производственных процессов и достижения высококачественных результатов. Эта статья обеспечивает подробное изучение ключевых параметров резки, их механизмов влияния на генерацию заусенцев и действенных стратегий минимизации заусенцев в производственных средах.

Что такое срезание параметров?

Параметры резания — это переменные, определяющие, как выполняется операция механической обработки. Они регулируют взаимодействие режущего инструмента и материала заготовки, непосредственно влияя на силы, температуры, образование стружки и целостность поверхности. Основные параметры резания включают:

• Скорость резания (или скорость поверхности) — относительная скорость между инструментом и заготовкой, обычно выражаемая в метрах в минуту (м/мин) или поверхностных футах в минуту (SFM).
• Скорость подачи — расстояние, которое инструмент продвигает за революцию или за зуб, как правило, в миллиметрах за революцию (мм/рез) или дюймах за революцию (IPR).
• Глубина разреза — толщина материала, удаляемого в один проход, измеряется радиально или осево.
• Инструментальная геометрия — угол грабли, угол клиренса, подготовка кромки, покрытие и инструментальный материал.

Эти параметры взаимозависимы; изменение одного часто требует корректировок других для поддержания стабильных условий резания.Выбор соответствующих параметров резания является краеугольным камнем планирования процесса и непосредственно влияет на поведение формирования бурра.

Виды буров и механизмы их формирования

Классификация Burrs

Бёррс обычно классифицируются по их расположению относительно режущей кромки. Наиболее распространенные типы включают:

• Выйти заусенцы — образуются, когда инструмент выходит из заготовки, часто больше и проблематичнее.
• Входные заусенцы — возникают в точке входа инструмента, как правило, меньше.
• Сидовые заусеницы — развиваются по бокам разреза из-за боковой деформации.
• Бурлыки накаливания — образуются, когда материал пластически деформируется и перекатывается по краю вместо того, чтобы стричься.
• Слезоточивые заусеницы — результат перелома, а не чистого сдвига, распространенного в пластичных материалах.

Механизмы формирования Бурра

Образование затвора представляет собой сложный процесс, который включает в себя пластическую деформацию, перелом и тепловые эффекты. При резке материал заготовки подвергается сильному сдвига и сжатию. Когда инструмент приближается к краю заготовки, неподдерживаемый материал может изгибаться, выпирать или разрываться вместо того, чтобы быть чисто удаленным. Основными механизмами являются:

• Пластическое изгибание — материал на выходном краю отклоняется пластически, образуя опрокидывающую заусеницу.
• Последний пластиковый поток — материал толкается инструментом вбок, создавая боковые заусеницы.
• Перелом — когда напряжение превышает прочность материала, трещины распространяются и вызывают нерегулярные заусенцы.
• Тепловое размягчение — высокие температуры могут смягчать материал, усугубляя деформацию и рост заусениц.

Понимание этих механизмов имеет решающее значение для прогнозирования того, как изменения параметров резки изменят размер и морфологию заусенцев.

Подробное влияние параметров резки на формирование бура

Сокращение скорости

Скорость резания имеет нюансированное влияние на образование заусенцев. Как правило, увеличение скорости резания уменьшает размер заусениц до точки. Более высокие скорости увеличивают скорость деформации и генерируют больше тепла в зоне сдвига, что может термически размягчать материал и уменьшать силы резания. Более низкие силы приводят к меньшей пластической деформации на выходном краю, приводя к меньшим заусеницам. Однако чрезмерно высокие скорости могут вызывать износ инструмента, наращивание заусениц и даже термическое повреждение заготовки, что может увеличить размер заусениц или изменить морфологию заусениц.

Исследования показали, что для многих материалов существует оптимальный диапазон скорости резки, где высота заусениц минимизирована. Например, при повороте стали AISI 4340 высота заусениц уменьшается примерно на 40% при увеличении скорости резки с 80 м/мин до 180 м/мин, но дальнейшее увеличение за пределами 250 м/мин приводит к увеличению размера заусениц из-за увеличения износа инструмента и округления края.

Ставка кормов

Скорость подачи оказывает сильное и последовательное влияние на формирование заусенцев. Более высокие скорости подачи увеличивают нагрузку на чип и механические силы на заготовке. Большее усилие заставляет больше материала перемещаться пластически перед стрижкой, что приводит к более крупным заусеницам, особенно на краю выхода. И наоборот, снижение скорости подачи обычно приводит к меньшим заусеницам, потому что более низкие силы резки позволяют более чистый стриж.

Однако очень низкие показатели кормов могут снизить производительность и привести к другим проблемам, таким как трение, закалка и чрезмерная вибрация инструмента. Производители должны сбалансировать сокращение заусенцев с экономической эффективностью. Общее правило заключается в использовании самой высокой скорости корма, которая все еще дает приемлемый размер заусенцев, часто определяемый посредством проектирования экспериментов.

Глубина разреза

Глубина разреза влияет на образование заусениц благодаря его влиянию на толщину щепы и геометрию зоны резки. Увеличение глубины разреза увеличивает объем материала, удаляемого за проход, повышая силы разреза и степень пластической деформации на выходе. Это имеет тенденцию производить более крупные заусеницы, особенно в процессах, таких как фрезерование и бурение. Например, при бурении увеличенная глубина заусенцев приводит к более толстым засечениям и более выраженным выходным заусеницам на задней стороне заготовки.

Небольшие глубины разреза уменьшают размер заусениц, но могут потребовать нескольких проходов, влияя на время цикла.В операциях по обработке финиша небольшие глубины разреза (0,2-0,5 мм) часто используются для минимизации заусениц и достижения жестких допусков.

Инструмент геометрии

Геометрия инструмента, пожалуй, самый универсальный параметр для управления заусеницами. Ключевые геометрические элементы включают:

• Угол грабежа — положительный угол грабежа снижает силы резания и сдвигает материал более эффективно, обычно производя меньшие грабли.Отрицательные углы грабежа увеличивают силы и деформацию, что приводит к более крупным грабителям.
• Угол очистки — достаточный клиренс предотвращает растирание и уменьшает покраснение, что может генерировать заусенцы.
• Предварение края — острые края производят более чистые порезы, но склонны к износу. Отточенный или оборванный на режущей кромке может улучшить прочность края, но может увеличить размер заусениц, если он слишком велик.
• Покрытия — покрытия, такие как TiAlN или AlTiN, уменьшают трение и тепло, что может уменьшить образование заусениц, предотвращая адгезию инструмента и термическое размягчение заготовки.
• Инструментальный материал — более твердые материалы (карбид, CBN, PCD) дольше сохраняют острые края, уменьшая вариацию бурра в течение срока службы инструмента.

Оптимизация геометрии инструмента часто включает в себя компромисс между подавлением заусенцев и жизнью инструмента. Например, инструмент с большим оттоком края может уменьшить заусенцы за счет повышения прочности края, но если оттолок слишком большой, он увеличивает силы резания и может фактически способствовать образованию заусениц.

Эффект материала заготовки

Образование заусенцев сильно зависит от материала. Дюктильные материалы (например, низкоуглеродистая сталь, алюминиевые сплавы, медь) имеют тенденцию производить более крупные, более живучие заусенцы, потому что они могут подвергаться обширной пластической деформации до разрушения. Хрупкие материалы (например, чугун, керамика) с большей вероятностью будут разрушаться чисто, что приводит к меньшим заусеницам, но могут производить болтовню или микротрещины.

Твердость и прочность также играют роли. Более твердые материалы требуют более высоких сил резания, которые могут увеличить размер заусениц, но они также снижают пластичность, потенциально приводя к большему количеству заусениц типа трещин. Кроме того, термообработанные материалы изменили микроструктуры, которые влияют на образование заусениц. Например, закаленные и закаленные стали ведут себя иначе, чем отожженные стали.

Понимание поведения материала имеет важное значение при выборе параметров резки. Производители часто используют тестовые купоны для характеристики образования заусенцев для конкретного материала, прежде чем брать на себя обязательства по производственным параметрам.

Инструментальное платье и его влияние на Burrs

По мере износа инструмента меняется его геометрия: режущая кромка становится округлой, рейк-лицо развивает износ кратера, а фланговая износ увеличивает площадь контакта. Эти изменения увеличивают силы резания и трения, приводя к более крупным заусеницам. Изношенные инструменты также вырабатывают больше тепла, что может смягчать заготовку и усугублять деформацию. В производстве размер заусеницы часто увеличивается в течение срока службы инструмента, требуя регулярных изменений инструмента или регулировок параметров.

Некоторые передовые производственные системы интегрируют измерение заусенцев в качестве части мониторинга износа инструмента, чтобы вызвать своевременную замену инструмента.

Стратегии минимизации образования буров

Эффективное сокращение заусенцев требует систематического подхода, сочетающего выбор параметров, разработку инструмента, модификацию процесса, а иногда и вторичные операции.

• Оптимизация параметров резания — использование максимальной скорости резания и минимальной скорости подачи в соответствии с целевыми показателями производительности.Использовать проектирование экспериментов (DOE) для поиска оптимальной комбинации для данного материала и инструмента.
• Выберите подходящую геометрию инструмента — используйте инструменты с положительными углами грабли, острыми краями (с минимальным оттоком для прочности края) и соответствующими покрытиями.
• Использование режущих жидкостей — охлаждающая жидкость высокого давления может снизить температуры и смыть чипы, уменьшая трение и тепловые эффекты, которые способствуют заусеницам.
• Стратегия смены пути инструмента — при фрезерном производстве альпинистское фрезерование производит меньше заусениц, чем обычное фрезерование, поскольку толщина чипа уменьшается при выходе. При бурении с использованием заднего заслонка или ступенчатого бурения можно уменьшить выходные заусеницы.
• Применять процессы отсрочки — для неизбежных отсрочек могут использоваться вторичные методы, такие как абразивная отсрочка, электрохимическая отсрочка, тепловая отсрочка или ручная отсрочка. Интеграция отсрочки в станке (например, с использованием щеточных инструментов) может уменьшить обработку.
• Рассматривайте поддержку заготовки — использование резервного материала или поддержки на выходе может уменьшить опрокидывающиеся заусенцы, особенно в бурении и фрезерировании тонких секций.

Эти стратегии наиболее эффективны при реализации в процессе проектирования, а не в качестве запоздалых мыслей. Многие компании в настоящее время применяют модели прогнозирования бурра на ранних этапах разработки продукта, чтобы избежать дорогостоящей переработки.

Экспериментальные и модельные подходы

Проектирование экспериментов (DOE)

Систематические эксперименты широко используются для количественной оценки влияния параметров резки на образование заусенцев.Факторные конструкции, методология поверхности отклика и методы Тагути помогают идентифицировать значительные параметры и их взаимодействия. Размер заусениц (высота, ширина, толщина) обычно измеряется с помощью оптических микроскопов или профилометров. Статистические модели могут затем предсказать поведение заусенцев для непроверенных условий.

Анализ конечных элементов (FEA)

Значительно продвинулось моделирование процессов резания конечными элементами. FEA может имитировать формирование чипов, взаимодействие инструмент-заготовка и эволюцию бурра путем моделирования свойств материала, трения и генерации тепла. Такие моделирования снижают необходимость дорогостоящих экспериментальных испытаний и позволяют виртуальную оптимизацию. Однако точные результаты зависят от надежных моделей конститутивного материала и данных трения.

Подходы машинного обучения

Недавние исследования применили алгоритмы машинного обучения для прогнозирования размера заусениц на основе параметров резки и состояния инструмента. Нейронные сети, машины вектора поддержки и случайные леса показали перспективность в моделировании сложных, нелинейных отношений. Эти модели могут быть интегрированы в производственные системы исполнения для регулировки параметров в реальном времени.

Внешние ресурсы для более глубокого чтения включают ScienceDirect обзор формирования бурра и Исследовательская группа формирования бурра Кембриджского университета .

Промышленные приложения и тематические исследования

Контроль за заглушением имеет решающее значение в отраслях, где целостность компонентов имеет первостепенное значение. В аэрокосмической промышленности загребки на турбинных дисках или структурных компонентах могут приводить к концентрации напряжений и усталостному отказу. Высокозатратные материалы, такие как суперсплавы на основе титана и никеля, особенно сложны, поскольку они являются как пластичными, так и рабочими. Оптимизация параметров в сочетании со специализированными инструментальными покрытиями (например, AlCrN) уменьшила размер загребков более чем на 50% при повороте Inconel 718.

В автомобилестроении в больших объемах производятся блоки двигателей, трансмиссионные компоненты и тормозные части. Бурильные установки могут вызывать проблемы с сборкой и влиять на гидравлическое уплотнение. Многие автомобильные заводы используют высокоскоростную механическую обработку с оптимизированными скоростями подачи и керамические инструменты для минимизации заусенцев при чугунной обработке. Кроме того, для окончательной отделки обычно используются роботизированные ячейки отсрочки.

Производство медицинских устройств, особенно для имплантатов и хирургических инструментов, требует безболезненных краев, чтобы избежать повреждения тканей и обеспечить биосовместимость.В данном случае часто используется микрообработка с очень небольшими глубинами разреза и высокими скоростями, наряду с электрохимической перегрузкой для труднодоступных функций.

Заключение

Образование заусенцев является неотъемлемой частью обработки, но его степень можно контролировать путем тщательного выбора и корректировки параметров резки. Скорость резки, скорость подачи, глубина разреза и геометрия инструмента играют различные роли в определении размера и формы заусенцев. Понимая основные механизмы и применяя комбинацию оптимизации параметров, улучшений конструкции инструмента и методов заусенцев, производители могут значительно уменьшить дефекты, связанные с заусеницами, улучшить качество деталей и снизить производственные затраты.

Достижения в экспериментальных методах, моделировании и моделировании на основе данных продолжают обеспечивать более глубокое понимание, позволяя более точно прогнозировать и контролировать заусенцы.По мере того, как производство движется к большей автоматизации и устойчивости, освоение заусенцев останется ключевым навыком для инженеров-технологов, стремящихся эффективно производить высококачественные компоненты.