Влияние формирования чипов на эффективность и качество брокинга

Эффективность и качество: критическая роль формирования чипов

Брохинг - это высокоточный процесс обработки, используемый для создания сложных внутренних и внешних профилей - от ключей и сплайнов до зубьев зубьев и слотов на турбине - с отличной повторяемостью и отделкой поверхности. В отличие от поворота или фрезерования, бросок использует один многозубной инструмент (брошюра), который удаляет материал за один непрерывный проход. Успех любой операции бросок зависит от десятков переменных. Формирование чипов не является более показательным, чем поведение производимых чипов. Образование чипов - это не пассивный результат; это динамический показатель механики резки, состояния инструмента и стабильности процесса. Понимание того, как формируются чипы, какие типы указывают на здоровую или проблемную резку, и как активно управлять геометрией чипа может непосредственно повысить производительность, продлить срок службы инструмента и обеспечить последовательно высокое качество заготовок. Эта статья обеспечивает всеобъемлющий, технически обоснованный взгляд на формирование чипов в броске, охватывающий физику, практические воздействия на эффективность и качество и действенные стратегии оптимизации управления чипом.

Основы формирования чипов в броашинге

По своей сути, образование щепы является процессом деформации сдвига. Поскольку каждый зуб щетки задействует материал заготовки, режущая кромка вызывает локализованные высокие сжимающие и сдвиговые напряжения. Когда напряжение превышает прочность материала, зона интенсивной пластической деформации - первичная зона сдвига - развивается впереди инструмента. Материал течет вдоль этой зоны, отделяется от заготовки и скользит вверх по грабли зуба, образуя щепу. Механика немного отличается от непрерывных операций резания, потому что прорезь включает в себя несколько последовательной резки зубов, каждый из которых удаляет заданную толщину слоя (подъем на зуб). Чип, образованный каждым зубом, должен быть размещен в глотке (пространство между зубами) и эвакуирован из зоны разреза. Если образование щепы является неустойчивым или щепы слишком велики, глотка может забиваться, что приводит к поломке зубов, плохой поверхностной отделке или катастрофическому отказу инструмента.

Три фундаментальные зоны управляют образованием чипа: первичная зона сдвига (где чип сначала отделяется), вторичная зона сдвига (где чип трется о грабли, генерируя тепло и трение) и третичная зона (где фланговая поверхность контактирует с вновь разрезанной поверхностью). Баланс тепла, деформации и скорости деформации в этих зонах определяет морфологию чипа. В прошивке, потому что скорость резания часто ниже, чем при повороте, но недеформированная толщина чипа больше (обычно 0,02-0,10 мм на зуб), чип несет значительную тепловую и механическую сигнатуру. Мониторинг цвета чипа, толщины и формы может обеспечить немедленную обратную связь о технологических условиях.

Типы чипсов и их значение в брошинге

Распознавание этих типов позволяет операторам и инженерам-технологам диагностировать проблемы и вносить целенаправленные корректировки.

Непрерывные чипсы

Непрерывные щепы длинные, лентовидные и плавно вытекают из зоны резки. Они производятся при резке пластичных материалов (например, низкоуглеродистой стали, алюминия, латуни) в стабильных условиях с адекватной смазкой и острыми краями инструмента. Чип свободно скользит по грабли без периодического перелома. Непрерывные щепы, как правило, желательны, поскольку они указывают на устойчивые силы резания, низкую вибрацию и эффективную передачу энергии. Однако они могут стать проблематичными, если они слишком длинные, поскольку они могут запутываться вокруг броши или компонентов машины, требуя выключателей щепы или управления охлаждающей жидкостью. Наличие непрерывных, хорошо свернутых щепок обычно коррелирует с отличной отделкой поверхности и размерной консистенцией.

Непрерывные (сегментированные) чипы

Прерывистые чипы разбиваются на небольшие отдельные сегменты по мере их формирования. Это может происходить по двум причинам: материал по своей природе хрупкий (например, чугун, закаленная сталь) или условия резания способствуют периодическому разрыву (например, низкая скорость резания, высокий корм или изношенная режущая кромка). При прокладке прерывистые чипы часто являются признаком проблемы, если материал обычно пластичен. Фрагментация может быть результатом нестабильности нарастания края (BUE), микрочипа инструмента или недостаточного охлаждающего вещества. Прерывистые чипы вызывают колебания сил резания, приводящие к вибрации (шаттеру), плохой поверхностной отделке и ускоренному износу инструмента. С другой стороны, для хрупких материалов ожидается и управляемость прерывистых чипов до тех пор, пока фрагменты чипа достаточно малы, чтобы эвакуироваться, не засоряя глотки.

Серрированные (пилотные) чипсы

Серрированные чипы имеют периодический, пилообразный профиль вдоль длины чипа, часто с сильно деформированной полосой сдвига на каждом зубе. Они типичны для высокоскоростной резки труднодоступных для машин материалов, таких как титановые сплавы, суперсплавы на основе никеля и высокопрочные стали. В прошивке серрированные чипы указывают, что скорость резки или скорость подачи достаточно высоки, чтобы вызвать локализацию сдвига - адиабатический нагрев смягчает узкую полосу, позволяя концентрировать стрижку, в то время как остальная часть чипа остается более холодной и менее деформированной. Серрированные чипы не обязательно вредны; они могут быть приемлемы, если изменение толщины чипа является последовательным и инструмент предназначен для обработки периодических изменений нагрузки. Однако тяжелая серрация часто приводит к более высоким температурам резки, повышенному износу инструмента и более грубой поверхности. Если серрация становится слишком выраженной, это может вызвать микротрещины на обработанной поверхности.

Встроенный край (BUE) и сцепление чипа

Связанный с этим феноменом - это нарастающий край (BUE), где материал заготовки сваривается с режущей кромкой из-за высокой температуры и давления. BUE изменяет эффективную геометрию инструмента, производя чипы, которые являются толстыми, нерегулярными и часто имеют размазанный или разорванный внешний вид. Присутствие BUE почти всегда вредно для прокладки, потому что оно ухудшает поверхность, снижает точность размеров и может привести к разрыву края. Чипы, управляемые BUE, обычно являются прерывистыми и имеют тусклый, закаленный внешний вид. Управление BUE требует оптимизации скорости резки, использования правильного типа охлаждающей жидкости и давления и применения инструментальных покрытий (например, TiAlN, TiCN), которые уменьшают адгезию.

Прямое влияние формирования чипа на эффективность брейкинга

Эффективность в прокладке измеряется скоростью удаления материала (MRR), сроком службы инструмента, временем безотказной работы машины и потреблением энергии. Образование чипа влияет на все эти факторы.

Сокращение сил и энергопотребление

Гладкий, непрерывный чип образование приводит к устойчивому вырезания сил, которые переводят на более низкие пиковые нагрузки на брош-инструмент и шпиндель машины. Когда чипы ломаются непредсказуемо или образуют нарастающий край, режущий профиль силы становится неустойчивым, с шипами, которые могут превышать пределы конструкции инструмента или крепления. Более высокая сила изменчивость увеличивает потребление энергии на часть и может вызвать преждевременный износ на машинных направляющих и гидравлических систем. Оптимизация формирования чипа для достижения последовательной толщины чипа и завитка уменьшает общую вырезания энергии на 10-25% во многих приложениях вырезки, на основе эмпирических данных от производителей инструмента.

Инструменты жизни и стоимости

Возможно, самое прямое влияние образования чипов на эффективность - износ инструмента. Чипы, которые плавно скользят по грабли, генерируют меньше трения и более низкие температуры, сохраняя остроту режущего края. Напротив, прерывистые или зазубренные чипы часто производят нагрузку на режущую кромку, ускоряя износ кратера и износ фланга. Кроме того, если эвакуация чипов плохая (например, чипы застревают между зубами), брошь может испытывать катастрофическое разрушение зубов, что приводит к дорогостоящей замене инструмента и простою. Хорошо контролируемый процесс формирования чипа может продлить срок службы инструмента броши на 30-100%, особенно в больших объемах производственных сред. Стоимость одного инструмента броши может варьироваться от сотен до десятков тысяч долларов, что делает управление чипом непосредственным вкладом в прибыльность.

Время цикла и автоматизация

Эффективное формирование чипов позволяет обеспечить согласованное время цикла. Когда чипы ломаются и надежно эвакуируются, нет необходимости в ручном вмешательстве для очистки чипов или регулировки параметров. В автоматизированных прошивочных ячейках управление чипами имеет решающее значение для предотвращения запуска датчиков запутанными чипами, которые могут остановить производство. Кроме того, превосходное формирование чипов позволяет повысить скорость подачи без ущерба для качества деталей, непосредственно сокращая время на ход. Некоторые современные прошивочные машины используют адаптивные системы управления, которые регулируют корм на основе обратной связи формирования чипов, что еще больше увеличивает пропускную способность.

Влияние на качество заготовки

Поверхностная отделка, точность размеров и остаточное состояние напряжения тесно связаны с образованием чипа.В прошивке конечная поверхность генерируется последними отделочными зубами, но состояние процесса, установленного шероховатыми зубами, закладывает основу.

Surface завершает

Непрерывные, хорошо сформированные чипы производят лучшую поверхность отделки, часто достигая значений Ra ниже 0,8 мкм в стальной прошивке. Когда чипы являются прерывистыми или содержат приклеенный материал, они могут вызвать разрыв поверхности, микрогаллинг и размазывание. Разбитые фрагменты чипа могут попасть в ловушку между инструментом и заготовкой, создавая царапины или вырезы. Серрейтированные чипы могут оставлять периодическую волнистость на обработанной поверхности, которая отражает геометрию чипа. Для максимизации качества поверхности образование чипа должно быть стабильным через весь штрих прорези, от первоначального взаимодействия до конечного выхода.

Точность и последовательность измерений

Изменение формирования чипа напрямую влияет на точность размеров, потому что силы резания влияют на эластичный отклонение заготовки и инструмента. Если образование чипа изменяется от зуба к зубу из-за нарастания края или неоднородности материала, возникающие изменения силы вызывают незначительные отклонения, которые вызывают отклонения размера. Например, при прокладке внутренних сплин внезапное заторможение чипа может надавить на прорезь боково, что приводит к нетерпимости шага или ошибки концентриситета. Последовательная формация чипа имеет важное значение для удержания плотных допусков (часто ± 0,01 мм или лучше), что прошивка известна. Системы мониторинга процессов, которые анализируют форму и частоту чипа, могут обнаруживать эти изменения в реальном времени, позволяя корректирующее действие до того, как вне спецификации детали производятся.

Формирование Burr и качество Edge

Окончательный выход зубьев броши из заготовки часто определяет размер заусенцев. Образование чипа вблизи края выхода влияет на направление и величину заусенцев. Когда заусеницы сдвигаются чисто, заусеницы выхода минимальны и легко удаляются. Однако, если образование заусенцев становится прерывистым или материал выпирает перед инструментом, могут образовываться большие, рваные заусеницы, требующие вторичных операций заусенцев. Контроль геометрии чипа посредством конструкции инструмента (например, угол грабежа, подготовка кромки) и параметров процесса помогает подавить образование заусениц, улучшая общее качество деталей и снижая затраты на нисходящий поток.

Ключевые факторы, контролирующие формирование чипа в броашинге

Операторы брейчинга имеют несколько рычагов влияния на формирование чипа.Каждый фактор должен быть сбалансирован для достижения нужного типа чипа и эвакуации.

Сокращение скорости

Скорости брейкинга обычно варьируются от 3 до 30 м/мин, в зависимости от конструкции материала и инструмента. Более низкие скорости (3-8 м/мин) имеют тенденцию производить прерывистые чипы в протоковых материалах, поскольку скорость деформации недостаточна для поддержания непрерывной зоны сдвига; это может привести к образованию BUE. Более высокие скорости (15-30 м/мин) способствуют непрерывному чипу из-за термического размягчения в зоне сдвига, что снижает напряжение потока и стабилизирует поток чипа. Однако слишком высокая скорость может вызвать избыточное выделение тепла, что приводит к зазубренным чипам или перегреву инструмента. Оптимальная скорость является материалоспецифичной и часто определяется методом проб или моделирования. В производстве увеличение скорости на 10-20% часто приводит к переходу от прерывистой к непрерывной чипам с соответствующими улучшениями в отделке поверхности.

Показатель кормления (повышение на зуб)

Кормом в прошивке является глубина разреза на зуб, также называемая подъемом на зуб. Типичный подъем колеблется от 0,02 мм до 0,15 мм. Более высокий подъем увеличивает толщину чипа, что может способствовать поломке чипа и уменьшать вероятность длинных, струнных чипов. Однако чрезмерный рост приводит к более высоким силам резания, увеличению тепла и потенциальному разрыву зуба. И наоборот, очень низкий подъем может вызвать трение, а не резку, что приводит к упрочнению работы и плохому образованию чипа. Идеальный подъем выбран для производства чипа, который достаточно толстый, чтобы ломаться чисто, но достаточно тонкий, чтобы поддерживать срок службы инструмента. Для материалов, которые имеют тенденцию образовывать непрерывные ленты (например, алюминий), немного более высокий подъем (0,08-0,12 мм) в сочетании с геометрией разбивки чипа эффективен.

Инструменты геометрии и покрытия

Геометрия зуба броха — угол грабежа, угол рельефа, ширина земли и конструкция глотки — непосредственно формирует образование чипа. Положительный угол грабежа (10°-20°) способствует сдвигам и производит непрерывные, хорошо свернутые чипы, уменьшая силы резания. Отрицательный или нулевой угол грабежа может вызывать сжатие и разрывные чипы, особенно в жестких материалах. Гуллет должен быть достаточно большим, чтобы вместить весь объем чипа, генерируемый каждым зубом, пока он не выйдет из разреза. Общее правило заключается в том, что область глотки должна быть по крайней мере в 3-4 раза больше площади поперечного сечения чипа. Современное брошь-инструменты часто включают в себя канавки или выемки на режущей кромке для управления завитком и переломом чипа. Покрытия, такие как TiAlN, TiSiN или DLC, уменьшают трение и адгезию, стабилизируя поток чипа и предотвращая BUE даже на более высоких скоростях. Материал

Свойства материала Workpiece

Плотность, твердость и скорость затвердевания работы диктуют образование чипов. Например, 1018 низкоуглеродистой стали легко формирует непрерывные чипы, в то время как 4340 термообработанных сталей при 35 HRC имеет тенденцию производить сертифицированные чипы на умеренных скоростях. Нержавеющие стали (например, 316) печально известны BUE из-за их высокой скорости затвердевания работы и низкой теплопроводности. Титановые сплавы часто производят тонкие, сертифицированные чипы с высокими температурами резки. Понимание напряжения потока сдвига материала и тепловых свойств позволяет лучше выбирать параметры. Предварительный нагрев заготовки (для определенных суперсплавов) или использование криогенного охлаждения может благоприятно изменить поведение образования чипов. Кроме того, микроструктура материала (размер зерна, включения) влияет на морфологию чипа; мелкозернистая структура имеет тенденцию производить более стабильные чипы.

Охлаждение и смазка

Охлаждение играет двойную роль: снижение температуры и обеспечение смазки. При прокладке зона резки заключена, что делает доставку охлаждающей жидкости сложной. Охладитель высокого давления (40-100 бар), направленный на интерфейс чип-инструмента, может разбивать чипы, уменьшать трение и предотвращать BUE. Масляные смазочные материалы часто превосходят водонепроницаемые жидкости для управления образованием чипа, поскольку они снижают коэффициент трения на грабли, способствуя устойчивому потоку чипа. Тип охлаждающей жидкости и концентрация должны быть подобраны к материалу. Например, масло прямой резки является общим для прокладки жестких сплавов, в то время как растворимое масло может быть достаточным для алюминия или латуни. Недостаточный поток охлаждающей жидкости является основной причиной плохого образования чипа и раннего отказа инструмента.

Расширенные стратегии контроля чипов

Современные брокерские мастерские используют несколько передовых методов для систематического управления формированием чипов.

Чип-брейкер геометрия

Интеграция чип-брейкеров в конструкцию брош-инструмента является одним из наиболее эффективных способов управления формой чипа. Чип-брейкеры могут представлять собой небольшие канавки, ступенчатые выемки или волнистые узоры, измельчающиеся в грабли. Они вызывают момент изгиба в чипе, заставляя его сворачиваться и ломаться через регулярные промежутки времени. При брошинге чип-брейкеры особенно ценны для пластичных материалов, которые в противном случае производят длинные, зазубренные чипы. Геометрия броши (ширина, глубина, расстояние) должна быть оптимизирована для ожидаемой толщины чипа. Некоторые броши используют переменный разрыв чипа по длине инструмента для учета уменьшения удаления материала по мере вовлечения отделочных зубов.

Высоконапорный охладитель и сквозной инструмент

Доставка охлаждающей жидкости через инструмент броши непосредственно к передней кромке (сквозной охлаждающей жидкости) гарантирует, что интерфейс чип-инструмент смазан и охлажден в точке формирования. Давление 70 бар или более может гидравлически разбить чипы и вымыть их из глотки. Этот метод широко используется в прошивке аэрокосмических сплавов, где эвакуация чипа является серьезной проблемой. Результатом является последовательное образование чипов, более длительный срок службы инструмента и сокращение времени цикла, потому что более быстрые скорости подачи могут использоваться без риска заторов чипа.

Пахучие и переменные корма

Пек-брошинг (постепенная резка с втягиванием) иногда используется для очень глубоких разрезов или сложных материалов, но он снижает производительность. Более продвинутый подход - это вариабельная прокладка корма, где рост на зуб не постоянен. Грубые зубы могут использовать более высокий корм для разрушения чипов, в то время как отделка зубов использует более низкий корм для качества поверхности. С ЧПУ-контролируемые прокладочные машины могут изменять скорость подачи во время инсульта на основе силы в реальном времени или обратной связи акустического излучения, активно стабилизируя образование чипа.

Мониторинг процессов и анализ чипов

Сбор и анализ микросхем могут обеспечить обратную связь для оптимизации процесса. Операторы часто проверяют цвет чипа (синие чипы указывают высокую температуру), радиус завитка и толщину. Автоматизированные системы зрения могут классифицировать типы чипов и предупреждать операторов о тенденциях к прерывистым или зазубренным чипам. Акустические датчики излучения обнаруживают высокочастотные сигналы разрушения чипа, что позволяет прогнозировать техническое обслуживание. Сопоставляя данные чипа с измерениями износа инструмента, производители могут разрабатывать индивидуальные наборы параметров для каждого материала и геометрии броши.

Заключение

Чип-образование не является второстепенной проблемой в прокладке - это центральный показатель здоровья резки и основной рычаг для оптимизации как эффективности, так и качества. Понимая типы чипов (непрерывные, прерывистые, зазубренные, BUE-связанные) и их причины, машинисты и инженеры-технологи могут вносить обоснованные корректировки в скорость резки, корм, геометрию инструмента и применение охлаждающей жидкости. Правильное управление чипом уменьшает силы резки, продлевает срок службы инструмента для прорези, улучшает отделку поверхности и обеспечивает точность измерений. Расширенные стратегии, такие как конструкция выключателя микросхем, охлаждающая жидкость высокого давления и мониторинг в режиме реального времени, еще больше повышают способность поддерживать оптимальное образование чипов на производственных циклах. По мере того, как материалы становятся более сложными и допуски более плотными, освоение формирования чипов останется краеугольным камнем конкурентных операций прокладки. Инвестируйте в понимание ваших чипов - они расскажут вам все о вашем процессе.

В этой статье используются технические концепции, общие для исследований металлорезки. Для дальнейшего чтения см. статью SME о фундаментальных принципах прошивки микросхем , руководство Machining Doctor для типов микросхем и ScienceDirect обзор процессов прокладки .