Понимание стресса и напряжения при использовании инструментов для взлома во время операции

Брохинг - это высокоэффективный и точный процесс обработки, используемый для производства сложных внутренних и внешних профилей, таких как ключевые пути, сплайны, серрации и голуби. Он работает, заставляя многозубчатый режущий инструмент - брошь - линейно пройденный или через заготовку, с каждым последующим удалением зуба заданной толщины материала. Процессу отдается предпочтение в производстве автомобильного, аэрокосмического и тяжелого оборудования за его способность доставлять последовательные допуски и отличную поверхность в одном проходе. Однако агрессивный характер предметов прошивки инструмента до экстремальных механических и тепловых нагрузок. Понимание конкретных типов напряжения и деформации, которые возникают во время прокладки, имеет важное значение для дизайнеров инструментов, инженеров процессов и групп обслуживания, чтобы максимизировать срок службы инструмента, поддерживать качество деталей и снижать эксплуатационные расходы. Эта статья обеспечивает углубленный технический анализ механизмов напряжения и деформации, действующих на инструменты прокладки, факторы, которые влияют на их величину, и проверенные стратегии для эффективного управления ими.

Типы стресса, действующие на инструменты для брокинга

Во время операции прокладки инструмент испытывает одновременно несколько полей напряжения. Эти напряжения можно в широком смысле классифицировать на механические, термические и остаточные категории. Каждый из них играет особую роль в износе инструмента и потенциальной неисправности.

Механический стресс

Механическое напряжение возникает из-за сил резания, необходимых для сдвига материала с заготовки.По мере продвижения броши каждый зуб задействует заготовку, генерируя осевые, радиальные и касательной силовые компоненты.

Кумулятивный эффект этих сил создает сложный профиль напряжения по длине броши. Высокие концентрации механического напряжения возникают у корней зубов, щепчатых глоток и любых геометрических разрывов. Если превышена предел прочности материала инструмента, может произойти постоянная деформация или катастрофический перелом. Например, при тянущей прокладке закаленной стали осевые силы могут превышать 50 кН, накладывая значительные растягивающие напряжения на брошовый щип и тянущую голову.

Термический стресс

Трение между зубами броши и заготовкой в сочетании с пластической деформацией материала генерирует интенсивное локализованное тепло. Температура на режущей кромке может быстро подниматься выше 600°C (1112°F), особенно при высоких скоростях резания или при плохой смазке. Эта тепловая энергия вызывает:

Коэффициент теплового расширения высокоскоростной стали (HSS) составляет примерно 12 × 10−6 / ° C, что означает, что повышение на 100° C в 500-мм брошке вызывает осевое расширение около 0,6 мм - достаточно, чтобы вызвать помехи или смещения. Правильное применение охлаждающей жидкости имеет решающее значение для рассеивания тепла и поддержания стабильности инструмента.

Остаточный стресс

Остаточные напряжения закрепляются в инструменте во время производственных процессов, таких как термообработка, шлифовка или покрытие. Эти внутренние напряжения могут сочетаться с эксплуатационными напряжениями, чтобы вытолкнуть общее напряжение за пределы безопасных пределов. Например, пролет, который был нагружен и затвердел, может содержать сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое, которые фактически улучшают усталостную стойкость. Однако, если термообработка не контролируется должным образом, растягивающие остаточные напряжения в ядре могут способствовать инициированию трещины.

Механизмы напряжения во время скрещивания

Под напряжением понимается деформация инструментарного материала в ответ на приложенное напряжение. При прошивке деформация проявляется как в эластичных (восстановимых), так и в пластических (постоянных) формах.

эластичная потренировка

В нормальных условиях эксплуатации брошь подвергается изгибу и скручиванию эластичности за счет сил резания. Это упругое напряжение имеет решающее значение, поскольку оно заставляет инструмент отклоняться, потенциально приводя к плохой геометрии детали или «отталкиванию» инструмента, где брошь отклоняется от намеченного пути. Для длинных, стройных брошей с высокими соотношениями длины к диаметру, эластичная пряжка может стать режимом отказа. Инженеры используют анализ конечных элементов (FEA) для прогнозирования отклонения и регулировки геометрии инструмента или параметров резания, чтобы держать напряжение в пределах эластичности.

Пластиковая резина

Если напряжение превышает выходную прочность материала инструмента, возникает пластическая деформация. Это рассматривается как постоянная деформация, такая как изгиб броши, удлинение щупальца или «ползучесть» зубов. Пластиковая деформация обычно катастрофическая, поскольку она сразу же ставит под угрозу точность прорезанной детали и часто требует утилизации инструмента. Даже микромасштабная пластическая деформация на режущей кромке может привести к быстрому износу фланга и потере точности размеров.

Факторы, влияющие на величину стресса и напряжения

Тяжесть напряжения и нагрузки на инструмент для прокладки регулируется сочетанием свойств заготовки, параметров резки, дизайна инструмента и условий окружающей среды.

Свойства материала Workpiece

Твердость, пластичность и теплопроводность заготовки непосредственно влияют на силы резания. Закаленные стали (выше 40 HRC) генерируют более высокие механические напряжения и больше тепла, чем более мягкие материалы, такие как алюминий или латунь. Нержавеющие стали с их тенденцией к затвердеванию, создают дополнительную нагрузку на режущую кромку. Материалы с низкой теплопроводностью, такие как титановые сплавы, концентрируют тепло на интерфейсе инструмент-заготовка, усугубляя тепловое напряжение. Полезным ориентиром является удельная энергия резания (Kc) материала, которая колеблется от ~ 0,5 Вт·с / мм3 для алюминия до более 3,0 Вт·с / мм3 для высокопрочных сплавов. Более высокие значения Kc переходят непосредственно к более высоким напряжениям инструмента.

Параметры разреза: скорость, питание и вовлеченность

Скорость резания и корм на зуб - два основных параметра, которые операторы могут регулировать. Более высокие скорости резания увеличивают скорость генерации тепла, повышая тепловой стресс. Корм на зуб определяет толщину чипа и, следовательно, механическую нагрузку на каждый зуб. Чрезмерный корм может вызвать поломку зубов, в то время как слишком низкий корм увеличивает трение и тепло. Глубина разреза фиксируется конструкцией броши (каждый зуб поднимается на определенное количество), но количество зубов, задействованных одновременно - называемая длина зацепления - умножает общую нагрузку. Более длинные броши, привлекающие больше зубов, видят более высокую кумулятивную силу.

Инструменты геометрии и материала

Элементы геометрии бруса включают угол грабежа, угол клиренса, шаг зуба и размер глотки. Положительный угол грабежа (5°-15°) уменьшает силы резания и выработку тепла, но может ослабить режущую кромку. Отрицательные углы грабежа увеличивают прочность, но также повышают силы. Отрицательный шаг грабежа должен быть оптимизирован для обеспечения плавной эвакуации щепа; неправильный шаг может вызвать упаковку чипа и внезапные всплески напряжения. Выбор материала инструмента одинаково критичен. Высокоскоростная сталь (M2, M42) является общим для прокладки общего назначения, в то время как уплотненные или твердые карбидные броши используются для закаленных материалов на более высоких скоростях. Порошковая металлургия HSS и легированные кобальтом сорта предлагают улучшенную горячую твердость и износостойкость. Покрытия, такие как TiN, TiAlN или AlCrN, уменьшают трение и тепловое напряжение, продлевая срок службы инструмента на 200-30%

Охлаждение и смазка

Способ применения, тип и скорость потока режущей жидкости существенно влияют как на механическое, так и на тепловое напряжение. Режущая жидкость на масляной основе с добавками экстремального давления (EP) образует пограничный слой, который уменьшает трение и тепло. Водорастворимые эмульсии обеспечивают более высокую теплоемкость для теплового рассеивания. Недостаточный поток охлаждающей жидкости может привести к явлению, известному как «термический замок», где прослойка расширяется и захватывает внутри заготовки. Системы подачи охлаждающей жидкости через инструмент, где жидкость вытесняется через внутренние проходы в прослойке, обеспечивают превосходное охлаждение непосредственно в зоне резки.

Машинная жёсткость и выравнивание

Брашинговые машины должны обеспечивать жесткую, устойчивую платформу. Любая игра или несоответствие в держателе броши, тянущей головке или заготовке фиксатора вносит изгибающие моменты, которые увеличивают концентрации напряжения. Современные брошинговые машины часто используют сервоуправляемые гидравлические или механические системы с контролем силы в реальном времени. Несоответствующая машина может вызвать неравномерное распределение напряжения по зубам броши, что приводит к преждевременному отказу конкретных зубов и неоднородному качеству деталей.

Измерение и анализ стресса и напряжения

Для оптимизации операций по прокладке, инженеры полагаются как на экспериментальные, так и на вычислительные методы для количественной оценки напряжения и напряжения инструмента.

Анализ конечных элементов (FEA)

Модели FEA имитируют процесс прокладки путем дискретизации инструмента и заготовки на мелкие элементы. Входные данные включают свойства материала, граничные условия и силы резания. FEA прогнозирует контуры напряжения, отклонение и распределение температуры. Например, исследование, проведенное Shi et al. (2015) , использовало FEA, чтобы показать, что максимальный фон Мизес-напряжение происходит у корня зуба, и что увеличение радиуса корня на 0,5 мм снижает пиковое напряжение на 15%. FEA также используется для оптимизации форм глоток чипа для уменьшения помех чипа.

Экспериментальная модель Strain Gauges

Физические тензодатчики могут быть прикреплены к корпусу броши - обычно на шанке или на специально измельченных квартирах - для измерения упругого деформации в режиме реального времени. Показания деформации могут быть преобразованы в напряжение с использованием закона Хука и упругого модуля инструмента. Этот метод обеспечивает прямую валидацию моделей FEA и помогает идентифицировать аномалии процесса, такие как перегрузка инструмента или несоответствие. Беспроводные телеметрические системы теперь доступны для передачи данных от вращающихся или движущихся брошей.

Мониторинг состояния инструмента

Косвенное ощущение напряжения достигается за счет контроля мощности машины, силы резания или вибрации. Внезапное увеличение нагрузки шпинделя или изменение сигнатур вибрации часто указывает на сбой, связанный со стрессом, такой как зубное щепотка или изгиб инструмента. Современные прошивочные машины интегрируют датчики, которые автоматически останавливают цикл, если превышены пороги заданной силы, предотвращая катастрофическое поломку инструмента.

Стратегии управления стрессом и продления жизни инструмента

Контролируя факторы, вызывающие стресс и напряжение, производители могут значительно улучшить долговечность инструмента и надежность процесса.

Оптимальный выбор материала и покрытия

Для высокопроизводительной прошивки сталей HSS премиальной порошковой металлургии (например, ASP 2030) с покрытием TiAlN предлагает отличный баланс прочности и горячей твердости. Для прокладки абразивных материалов, таких как чугун, рекомендуется прокладка карбида с покрытием, похожим на алмаз углерод (DLC). Всегда консультируйтесь с поставщиками материалов для новейших марок, специально оптимизированных для прокладки - например, руководство по материалам для прокладки Sandvik Coromant [[FLT: 1]] предоставляет подробные критерии отбора.

Оптимизация геометрии

Используйте FEA для идентификации областей с высоким напряжением и изменения профиля зубов, радиусов корней и ширины земли. Увеличение радиуса глотки и углубление пространства чипа может уменьшить сжатие чипа и последующее напряжение. Для длинных инструментов включение переменной конструкции шага помогает сломать гармонические вибрации, которые вызывают усталость. Кроме того, использование «грубого» и «законченного» набора брошей разделяет нагрузку на удаление материала, уменьшая нагрузку на любой один инструмент.

Корректировка параметров процесса

Начните с консервативных скоростей резания и кормов на основе рейтинга обрабатываемости материала заготовки. Постепенно увеличивайте скорость до начала болтовни с инструментами или чрезмерного нагрева, а затем откиньте 15-20%. Рассмотрите возможность сокращения количества зубов, задействованных с помощью броши с большим шагом - это снижает общую силу резания, но требует более длительного хода инструмента. Руководство по прокладке современных машинных цехов рекомендует использовать скорость резания 5-10 м / мин для прокладки стали HSS и до 30 м / мин для инструментов карбида.

Продвинутые стратегии охлаждения

Внедрить системы охлаждающей жидкости высокого давления (70-100 бар), направленные на зону резки через сопла или каналы сквозного инструмента. Для смазочных материалов на масляной основе, убедитесь, что жидкость имеет добавки EP, такие как сера или хлор. Рассмотрим потоп охлаждения для длительных внутренних штрихов прошивки для предотвращения теплового накопления. В тяжелых случаях криогенное охлаждение с использованием жидкого азота было показано, чтобы резко снизить температуру инструмента и увеличить срок службы - см. это исследование по криогенной прокладки титановых сплавов .

Регулярный осмотр и прогнозное обслуживание

Расписание периодического осмотра инструментов для прокладки с использованием лупы, испытания на проникновение красителя или испытания на вихревой ток для поверхностных трещин. Измерение размеров инструмента с помощью микрометра для обнаружения износа или пластической деформации. Ведение журнала использования инструмента и режимов отказа для выявления моделей напряжения. Прогнозное обслуживание с использованием силового мониторинга может вызвать замену инструмента до катастрофического сбоя.

Лучшие практики для реализации напольного покрытия магазинов

Заключение

Стресс и напряжение, налагаемые на инструменты для прокладки во время работы, являются результатом сложного взаимодействия механических сил, тепловых эффектов и остаточных производственных напряжений. Понимая эти явления и контролируя влияющие факторы - от свойств заготовочного материала до параметров резки, геометрии инструмента и методов охлаждения - производители могут достичь более длительного срока службы инструмента, более высокого качества деталей и сокращения простоев. Расширенные инструменты анализа, такие как FEA и мониторинг в режиме реального времени, предоставляют данные, необходимые для принятия обоснованных решений. По мере увеличения производственных требований, особенно в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, владение управлением напряжением инструмента для прокладки останется конкурентным преимуществом. Инвестирование в надлежащую конструкцию инструмента, выбор материала и оптимизацию процесса - это не просто расходы, но критическая стратегия для эффективного и прибыльного производства.