Как выбрать оптимальные параметры для разных материалов

Наука о брухинге: выбор конкретных параметров

Брачинг является фундаментальным процессом обработки, в котором используется многозубчатый инструмент, брошь, для постепенного удаления материала за один проход или ряд проходов. Он широко используется в отраслях, начиная от производства автомобильной трансмиссии до производства аэрокосмических компонентов для создания точных внутренних и внешних профилей, ключевых путей, сплайнов и серраций. В то время как процесс кажется простым, выбор параметров прокладки - скорость резки, скорость подачи, глубина разреза на зуб и стратегия охлаждающей жидкости - это сложное решение, которое непосредственно влияет на срок службы инструмента, время цикла, отделку поверхности и точность измерений.

Задача усиливается при обработке различных семейств материалов. Набор параметров, который дает отличные результаты на алюминий, может вызвать катастрофический отказ инструмента на титане или закаленной стали. Эта статья предоставляет авторитетное, готовое к производству руководство по выбору оптимальных параметров прошивки для черных металлов, цветных сплавов, суперсплавов и передовых материалов. Мы рассмотрим металлургические причины регулировок параметров и предоставим действенные данные для вашего цеха.

Почему не работают параметры общего назначения

Многие магазины пытаются стандартизировать параметры прошивки во всех приложениях, чтобы упростить программирование и сократить время установки. Этот подход принципиально несовершенен, потому что каждый материал проявляет различные механические и тепловые поведения во время резки. Три критических свойства материала, которые диктуют выбор параметров, - это твердость, скорость затвердевания и теплопроводность.

Успешная прокладка требует подгонки параметров для использования характеристик обрабатываемости каждого материала, избегая при этом режимов отказа.

Основы параметра Broaching

Сокращение скорости

Скорость резания в прокладке относится к линейной скорости, с которой пролет пролетает через заготовку, обычно измеряемой в метрах в минуту (м/мин) или поверхностных футах в минуту (SFM). В отличие от поворота или фрезерования, где скорость прокладки колеи переменная, скорость прокладки определяется гидравлическим цилиндром или механической системой привода на прокладочной машине. Выбор скорости является единственным наиболее влиятельным параметром для срока службы инструмента. Более высокие скорости увеличивают производительность, но генерируют больше тепла на режущей кромке. Для материалов с высокой горячей твердостью (например, высокоскоростная сталь, карбиды, используемые в прокладочных инструментах), повышенные температуры могут превышать точку размягчения материала инструмента, вызывая быстрый износ.

И наоборот, чрезмерно низкие скорости могут стимулировать образование нарастающего края на протоковых материалах, ухудшая отделку поверхности.

Общие рекомендации по скорости по материальному семейству:

Показатель кормления (нагрузка чипа на зуб)

Скорость подачи в прошивке выражается как повышение на зуб, или глубина материала, удаляемого каждым последующим зубом. Обычно это указывается в миллиметрах на зуб (мм/зуб) или дюймах на зуб (IPT). Скорость подачи непосредственно влияет на толщину чипа, силы резания и отделку поверхности. Более высокая скорость подачи увеличивает сечение чипа, что может улучшить разрыв чипа, но также повышает силы резания и потенциал для вибрации или поломки тягача. Слишком низкая скорость подачи создает тонкие чипы, которые могут свариться к лицу зуба, вызывая удушье и нарастание края.

Оптимальные скорости подачи сбалансируют образование чипов со стрессом инструмента. Как правило, более твердые материалы требуют более низких скоростей подачи, чтобы сохранить силы резания управляемыми, в то время как более мягкие, более пластичные материалы могут переносить более высокие корма. Однако пластичные материалы также требуют достаточного количества корма, чтобы обеспечить чистый сдвига чипов, а не разрыв.

Рекомендации по повышению веса:

Глубина выреза и количество проходов

Общее удаление при прокладке достигается через кумулятивный эффект подъема на зуб по длине прокладки. В шероховатых секциях зубы сконструированы с большими подъемами для эффективного удаления объемного материала. Отделочные зубы имеют минимальный или нулевой подъем до размера и поверхностной отделки детали. Для глубоких форм или твердых материалов используются множественные прокладочные проходы (грубые, полуфабрикаты, отделка). Глубина прорези для каждого прохода должна быть сбалансирована с отклонением инструмента и доступной тягой машины.

Для материалов с высокой скоростью затвердевания очень важно, чтобы каждый зуб проникал ниже деформированного слоя, оставленного предыдущим зубом. Это означает, что рост на зуб должен превышать закаленную глубину, которая обычно увеличивается с материальной пластичностью. Если ваша брошь показывает быстрый износ первых нескольких зубов, но последние зубы нетронуты, подозреваем, что рост на зуб слишком мал для характеристик затвердевания материала.

Материально-специфические стратегии брокинга

Черные металлы: сталь и чугуны

Низкоуглеродистые стали (до 0,30% углерода) являются одними из самых прощающих прокладочных материалов. Они позволяют использовать умеренные скорости (10-15 м/мин) и корма (0,04-0,10 мм/зуб). Чип-брейкеры на зубах прокладки часто не нужны, потому что чипы естественным образом скручиваются и ломаются. Хлорированное или масло на основе серы обеспечивает отличную смазку для уменьшения нарастающего края.

Среднеуглеродистые и легированные стали (4140, 4340, 8620) требуют пониженных скоростей (8-12 м/мин) и кормов (0,03-0,08 мм/зуб) для управления силами резки. Предварительный нагрев до нормализованного или отожженного состояния ниже HRC 30 может улучшить обрабатываемость. Для сквозных закаленных сталей (HRC 40-55) следует использовать только твердые карбидные или покрытые броши, со скоростями, сниженными до 2-4 м/мин, и корма до 0,01-0,03 мм/зуб. В этих случаях обязательны множественные проходы.

Литые утюги (серые, пластичные, податливые) машины по-разному, потому что графит действует как естественная смазка и выключатель чипов. Скорости 10-18 м/мин с кормами 0,04-0,12 мм/зуб типичны. Дюктильный железо генерирует более жесткие чипы и может потребовать более струнообразной геометрии. Сухая обработка сжатым воздухом для эвакуации чипов распространена, хотя легкий масляный туман может продлить срок службы инструмента на пластичных сортах.

Для авторитетного справочника по металлоконструкциям и обрабатываемости, обратитесь к руководству ASM International: ASM International Materials Information.

Нержавеющие стали: аустенитные, ферритные, мартенситные

Аустенитные нержавеющие стали (304, 316, 321) печально известны уплотнением и удушением. Скорости резания должны быть низкими (4-8 м/мин), чтобы избежать чрезмерного нагрева, а подъем на зуб (0,02-0,06 мм/зуб) должен быть достаточным для проникновения ниже закаленного слоя. Положительные углы грабежа и острые режущие кромки имеют решающее значение. Охладитель высокого давления (50-70 бар), направленный на зону резки, помогает разбить чипы и уменьшить тепло. Серные или не содержащие хлора водосмешивающиеся охлаждающие жидкости рекомендуется избегать коррозионного растрескивания при стрессе в последующей эксплуатации.

Мартенситные и ферритные нержавеющие стали (410, 430) легче прокалывать, чем аустенитные марки, но требуют аналогичных скоростей (5-10 м / мин) и умеренных кормов (0,03-0,08 мм / зуб). Предварительное затвердевание до более низкого диапазона твердости улучшает образование чипа. Избегайте прерываемых разрезов, которые могут вызвать разрыв края.

Неферроузные сплавы: алюминий, медь, латунь, бронза

Алюминиевые сплавы (6061, 7075, 2024) позволяют достичь самых высоких скоростей прокладки (30-60 м/мин) и кормов (0,05-0,15 мм/зуб). Риск при использовании алюминия заключается не в износе инструмента, а в заложенном образовании кромки. Для предотвращения сварки алюминия к зубам прокладки используйте полированные или покрытые инструментальные поверхности (покрытия TiB2 или DLC) и затопляйте охлаждающую жидкость с высокой смазкой. Хорошо работает легкое минеральное масло или керосиновая смазка. Эвакуация чипов важна, потому что алюминиевые чипы могут забивать прорези.

Медные и латунные сплавы (C36000, C26000) машины аналогично алюминиевым, но более абразивны из-за содержания цинка в латуни. Скорости 20–40 м/мин с кормами 0,04–0,12 мм/зуб типичны. Кованая медь требует острых инструментов и агрессивных углов грабли для предотвращения размазывания. Высокомедные сплавы (более 95% Cu) могут потребовать снижения скорости для управления нарастающим краем.

Бронзовые сплавы (фосфорная бронза, алюминиевая бронза) содержат твердые межметаллические фазы, повышающие абразивность. Рекомендуется скорость 10-20 м/мин с кормами 0,03–0,08 мм/зуб. Углеродистые броши значительно продлевают срок службы инструмента на этих материалах.

Сверхсплавы и высокотемпературные сплавы

Сверхсплавы на основе никеля (Inconel 718, Waspaloy, Hastelloy) и сплавы на основе кобальта представляют собой крайний конец трудности прокладки. Эти материалы сохраняют высокую прочность при повышенных температурах, агрессивно затвердевают и имеют низкую теплопроводность. Скорости резки чрезвычайно низки (2-4 м/мин), с кормами 0,015-0,05 мм/зуб. Выживают только острые, высококачественные карбидные или CBN-образные броши. Охладитель высокого давления (80-100 бар) необходим для контроля тепла и смывных чипов.

Некоторые магазины используют криогенное охлаждение жидким азотом для самых сложных применений.

Титановые сплавы (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) имеют много тех же проблем, что и никелевые сплавы, но немного более прощающие. Скорости 3-6 м/мин с кормами 0,015-0,05 мм/зуб являются стандартными. Титан обладает сильным сродством к материалам инструмента, поэтому такие покрытия, как AlTiN или AlCrN, полезны. Упругий рессорный возврат титана может вызвать проблемы с размерами в отделочных проходах; допускают более жесткие допуски или добавляют проход размера.

Для подробных данных об обрабатываемости суперсплавов, Справочник обработки данных от Metcut Research Associates остается отраслевым стандартом.

Материалы и покрытия соображения

Высокоскоростная сталь (HSS) является наиболее распространенным и экономически эффективным выбором для сталей и чугунов до HRC 35. Порошковый металл HSS (PM HSS) предлагает улучшенную износостойкость для абразивных материалов, таких как пластичное железо или высококремниевый алюминий. Карбид (твердый или наконечник) требуется для закаленных сталей, суперсплавов и высокопроизводительных прогонов. CBN (кубический нитрид бора) используется для закаленных сталей выше HRC 55.

Выбор покрытия одинаково важен:

  • TiN (нитрид титана): Общее назначение, хорошо для сталей и чугуна.
  • TiCN (карбонитрид титана): Более высокая твердость, подходит для абразивных материалов.
  • AlTiN (нитрид алюминия титана): Отличная высокотемпературная стабильность, идеально подходит для суперсплавов и нержавеющих сталей.
  • TiB2 (диборид титана): Низкое трение, предотвращает нарастание края на алюминии.
  • DLC (алмазоподобный углерод): Экстремальная смазка для цветных материалов.

Для высокопроизводительных сред рассмотрите повторное покрытие брошей через регулярные промежутки времени. Хорошо поддерживаемое покрытие может продлить срок службы инструмента на 200-400% по сравнению с непокрытыми инструментами в том же приложении.

Стратегия охлаждения и смазки

Выбор охлаждающего агента не является запоздалой мыслью; это параметр.Основные функции прокладочного охлаждающего агента заключаются в уменьшении трения на интерфейсе микросхемы, контроле температуры, вымывании микросхем из зоны резки и предотвращении образования нарастающего края.

Для черных материалов масла с высокой вязкостью резки (хлорированные, серные или фосфорные добавки EP) обеспечивают экстремальную смазку под давлением, необходимую для скользящего контакта в прокладке. Для алюминия и латуни предпочтительны более легкие масла или водосмешивающиеся охлаждающие жидкости с высокой смазкой, для титана и суперсплавов стандартны водосмешивающиеся охлаждающие жидкости высокого давления (5-10%) с биостабильными составами, часто доставляемые при давлениях выше 70 бар через направленные сопла.

Наводнение недостаточно для глубокого внутреннего прокладки. Сквозной подачи охлаждающей жидкости, где охлаждающая жидкость прокачивается через внутренние проходы в прокладке для выхода на режущие кромки, является наиболее эффективным методом. Для этого требуются прокладки, разработанные с отверстиями охлаждающей жидкости и машиной, оснащенной системой охлаждения высокого давления.

Общество инженеров-производителей (SME) публикует справочные руководства по выбору металлообрабатывающей жидкости, которые высоко ценятся в отрасли.

Методология практического выбора параметров

Выбор оптимальных параметров прокладки - это не одноразовый расчет, а итеративный процесс. Следуйте этой методологии, чтобы достичь надежной отправной точки:

  1. Определить точный сплав, твердость и состояние (отожженный, термообработанный, как отлитый). По возможности получить сертифицированный отчет о тестировании материала.
  2. Выберите базовые параметры из опубликованных данных: Используйте таблицы от производителей инструментов (Kennametal, Sandvik Coromant, Star SU) или отраслевые справочники (Machining Data Handbook) для определения начальной скорости резания и повышения на зуб.
  3. Оценить возможности машины: Проверить, что прошивочная машина имеет достаточную тягу (тоннаж) и длину хода.Настроить скорость подачи вниз, если жесткость машины сомнительна.
  4. Проведите короткое производственное испытание (10-50 частей): Осмотрите образцы износа инструмента, отделку поверхности и стабильность размеров.
  5. Оптимизируйте с небольшими приращениями: Настройте скорость резания на ±10-15% от базового уровня при износе инструмента мониторинга. Затем настройте скорость подачи с шагом ±0,005 мм/зуб. Документируйте все изменения.
  6. Внедрить регулировки охлаждающей жидкости: Если износ термический (разложение, размягчение края), увеличить давление охлаждающей жидкости или скорость потока. Если износ абразивный (линии плавного износа), рассмотрите изменение покрытия.
  7. Окончательно оформите параметры и создайте стандартный рабочий документ: Запись материала, тепловой код, идентификатор броши, скорости, подачи, тип охлаждающей жидкости и давление, а также ожидания срока службы инструмента.

Устранение общих проблем с браконьерством

Даже при тщательном подборе параметров могут возникнуть проблемы.Следующие являются типичными режимами отказа и их параметро-связанными первопричинами:

  • Чрезмерный износ инструмента на первых нескольких зубах: Повышение на зуб слишком высокое для материала. Уменьшите скорость кормления или используйте шероховатую секцию с постепенным увеличением распределения.
  • Носить на последних отделочных зубах: Обычно указывает на затвердевание работы. Увеличить рост на зуб, чтобы каждый зуб проникал ниже затвердевшего слоя. Проверить доставку охлаждающей жидкости на отделочные зубы.
  • Плохая отделка поверхности (разрыв или галевание): Сокращение скорости слишком низко, вызывающее нарастание края, или скорость подачи слишком низкая, вызывающая истончение чипа. Увеличьте скорость и/или корм. Переключитесь на более смазочный охлаждающий агент.
  • Скорость слишком высокая для жесткости машины или чрезмерного корма, вызывающего отклонение зуба. Уменьшите скорость и проверьте жесткость рабочего удержания.
  • Поломка тягача: Тяга превышает мощность машины. Уменьшите скорость подачи или количество зубов в разрезе. Рассмотрим брошь с большим количеством зубов для распределения нагрузки.
  • Упаковка щепками: Недостаточное пространство для чипа для материала типа. Для пластичных материалов уменьшайте подъем на зуб или переключайтесь на брошь с более глубокими глотками. Для струнных материалов используйте чип-брейкеры.

Тематическое исследование: замена параметрической догадки с помощью выбора, основанного на данных

Поставщик среднеразмерных автомобильных стойок Tier 1 прокладывал 4340 стальных корпусов рулевого управления на HRC 28-32. Их существующий процесс проходил на 12 м/мин с подъемом на зуб 0,06 мм, что давало средний срок службы инструмента 850 частей на стойку. После тщательного анализа распределения твердости материала и структуры потока охлаждающей жидкости они снизили скорость резания до 9 м/мин и увеличили подъем на зуб до 0,08 мм на шероховатой секции. Отделка оставалась на 0,02 мм/зуб. Давление охлаждающей жидкости было увеличено с 20 бар до 50 бар, с насадками, направленными на зону выхода чипа.

Результат: срок службы инструмента увеличился до 2100 частей на стойку, отделка поверхности улучшилась с Ra 1,6 мкм до Ra 0,8 мкм, а время цикла увеличилось всего на 8%. Этот случай иллюстрирует, что систематическая настройка параметров на основе поведения материала дает существенную отдачу.

Для дальнейшего чтения по систематическим методам оптимизации библиотека Elsevier ScienceDirect содержит многочисленные рецензируемые исследования по оптимизации параметров для разных классов материалов.

Вывод: Выбор параметров как конкурентное преимущество

Выбор оптимальных параметров для различных материалов не является второстепенной проблемой; это основная компетенция для любого магазина, который использует этот процесс. Дни консервативного выполнения всех рабочих мест по сбору информации в одних и тех же условиях закончились. Современные материалы, более жесткие допуски и давление на стоимость требуют аналитического подхода.

Ключевые принципы, которые нужно помнить:

  • Скорость резания является основным рычагом для управления температурой резания. Более низкие скорости для твердых, абразивных или теплочувствительных материалов.
  • Скорость кормления (рост на зуб) должна быть достаточной для проникновения в закаленные слои, особенно в нержавеющие и суперсплавы.
  • Глубина разреза и количество проходов должны быть рассчитаны на баланс между напряжением инструмента и временем цикла.
  • Инструментальный материал и покрытие должны соответствовать абразивности, пластичности и тепловым характеристикам заготовочного материала.
  • Подача охлаждающего вещества - это параметр, а не утилита. Охладитель высокого давления может преобразовывать жизнь инструмента на сложных материалах.
  • Необходимо проводить испытания и документацию, стандартизировать параметры каждого материала и пересматривать их при изменении партий материалов.

Инвестируя в оптимизацию параметров, производители могут снизить затраты на оснастку на 30-50%, улучшить качество поверхности и увеличить время безотказной работы машины. В конкурентной производственной среде эти достижения напрямую приводят к повышению маржи и удовлетворенности клиентов. Сделайте выбор параметров частью вашего производственного процесса, и ваши операции по прокладке будут достигать последовательных, предсказуемых и высококачественных результатов по любому материалу.