Как разработать инструменты для брокинга для труднодоступных материалов

Введение

Проектирование инструментов для прокладки труднодоступных для машин материалов является критической задачей в современном производстве. Броашинг - это высокоточный, высокопроизводительный процесс, используемый для создания сложных внутренних или внешних профилей - от перемычек и сплайнов до слотов для турбинных дисков. Однако, когда материал заготовки представляет собой суперсплав (например, Inconel 718, Waspaloy), титановый сплав (Ti-6Al-4V) или закаленную сталь (выше 45 HRC), стандартные конструкции прокладки быстро выходят из строя. Сочетание высоких сил резки, экстремальных температур, абразивного или упрочняющего поведения и плохой эвакуации чипов требует специализированного инженерного подхода.

Эта статья предоставляет всеобъемлющее, авторитетное руководство по проектированию инструментов для прокладки, которые могут выжить и преуспеть в этих сложных условиях. Мы рассмотрим материаловедение, геометрию инструмента, покрытия, стратегии охлаждающей жидкости, оптимизацию процессов и практические тематические исследования. К концу у вас будет систематическая основа для создания инструментов для прокладки, которые обеспечивают последовательный срок службы инструмента, отличную отделку поверхности и снижение общей стоимости на часть.

Понимание сложных для машины материалов

Перед разработкой инструмента необходимо глубоко понять поведение материала заготовки во время резки. Трудные для машины материалы имеют несколько сложных характеристик:

• Высокая прочность и твердость при повышенных температурах: Многие суперсплавы сохраняют значительную прочность до 1000 °C, вызывая быстрое разрушение ребра инструмента.
• Низкая теплопроводность: Титановые сплавы (k ≈ 7 Вт/м·К) и никель-сплавы (k ≈ 11 Вт/м·К) концентрируют тепло в зоне резки, термически загружая инструмент.
• Тенденция к закалке: Аустенитные нержавеющие стали и никелевые сплавы затвердевают при деформации, что затрудняет последующую резку.
• Абразивные включения: Твердые карбиды или межметаллические частицы в таких материалах, как Inconel, действуют как микроабразивы, ускоряя износ фланга и кратера.
• Химическая реактивность: Титановые сплавы могут взаимодействовать с определенными инструментальными материалами при высокой температуре, что приводит к диффузионному износу или образованию нарастающих краев.

Типичные примеры труднодоступных для машин материалов включают: Inconel 718, Inconel 625, Waspaloy, René 88, Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, закаленные инструментальные стали (A2, D2, H13 при 50 HRC +) и осадки закаленные нержавеющие стали (17-4 PH). Каждый материал требует индивидуального подхода к проектированию.

Ключевые соображения дизайна для инструментов для брокинга

Выбор инструмента для материала

Подложка зубьев броши должна выдерживать высокие сжимающие нагрузки, тепловой удар и абразивный износ. Общий выбор включает:

• Высокоскоростная сталь (HSS) и порошко-металлургическая HSS (PM-HSS): Хорошая прочность и износостойкость. PM-классы, такие как ASP 2052 или ASP 2080, популярны для общих сложных материалов. Они предлагают более высокую твердость (65-67 HRC), чем обычные HSS.
• Карбид: Карбид вольфрама (WC-Co) обеспечивает отличную твердость и термостойкость. Однако он хрупкий; для прошивки, микрозерновые или субмикронные сорта (например, K10-K20) часто приплюснуты или механически прижаты к стальному шанку. Карбид предпочтителен для производства больших объемов суперсплавов.
• Кубический нитрид бора (cBN) и поликристаллический алмаз (PCD): Для отделочных операций на закаленных сталях (cBN) или цветных сплавах (PCD). Эти суперабразивы обеспечивают чрезвычайную износостойкость, но требуют тщательной подготовки кромки и жестких настроек.

Последние разработки в карбидах с покрытием (] (например, AlTiN, AlCrN) значительно улучшили производительность. Покрытие действует как тепловой барьер и уменьшает трение. Для прошивки необходимы более толстые покрытия (4-8 мкм) с хорошей адгезией, чтобы избежать расслоения при прерываемых разрезах.

Инструмент Геометрия и подготовка к краю

Инструменты для прорезывания содержат несколько зубов, каждый из которых вырезает небольшой слой. Для сложных материалов геометрия должна быть оптимизирована для уменьшения силы резания и выработки тепла:

• Угол грабежа: Нейтральный или слегка отрицательный угол грабежа (0° - −5°) укрепляет режущую кромку. Отрицательный грабеж полезен для прерываемых разрезов и хрупких материалов, но увеличивает силы резки. Для пластичных суперсплавов умеренный положительный грабеж (+5° - +8°) может уменьшить тепло, но прочность края становится проблемой.
• Угол рельефа (очистки): Достаточное первичное очистное устройство (3°-6°) предотвращает трение заготовки. Слишком малое очистное устройство создает чрезмерное трение и тепло; слишком много ослабляет зуб. Вторичный очистительный механизм (8°-15°) обеспечивает пространство для потока чипа.
• Подготовка к краю: Отточенный край (T-land или chamfer) предотвращает микрочиппинг. Для суперсплавов общий радиус кромки 0,02-0,05 мм. Большие радиусы для очень абразивных материалов помогают распределять износ.
• Чип-брейкеры: Крупы или ступенчатые чип-брейкеры на грабли способствуют закручиванию и фрагментации длинных, струнных чипов, которые в противном случае закупорили бы глотку.

Покрытия для повышения производительности

Покрытия незаменимы для современных инструментов для прошивки. Они обеспечивают:

• Тепловой барьер: Покрытия, такие как AlTiN и AlCrN, имеют низкую теплопроводность, снижая теплопередачу на подложку.
• Сопротивление окислению: При высоких скоростях резания покрытия препятствуют химическому износу. AlTiN стабилен до 900 °C.
• Низкое трение: Дымная поверхность уменьшает нарастающий край и снижает силы резания.

Общие покрытия для прокладки сложных материалов: TiAlN (общее назначение), AlTiN (суперсплавы), TiCN (сталь), DLC (алюминий/титан для уменьшения загалкивания). Для карбидных брошей, CVD алмазные покрытия используются для высокоабразивных цветных композитов. Всегда сопоставляйте покрытие с заготовкой химии, чтобы избежать диффузионных реакций.

Расширенные функции дизайна для инструментов для брокинга

Включить и настроить дизайн

Современные броши часто используют сменные вставки (неотъемные наконечники) или наконечники из заплетенного карбида. Ключевые особенности:

• Вставка геометрии: Вставка должна иметь прочную режущую кромку с достаточным пространством для чипов. Двусторонние вставки (например, квадратные или ромбические) с восемью режущими кромками снижают стоимость за кромку.
• Системы зажима: Клин или зажим винтов должны быть жесткими, чтобы избежать микродвижения при больших нагрузках. Для высоких скоростей подачи используйте зажим с положительной остановкой.
• Типовые материалы: Сломанные кончики поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) для закаленных сталей (60 HRC+) или поликристаллического алмаза (PCD) для алюминиевых бронз.
• Очистка на вставках: Обеспечить достаточный радиальный и осевой клиренс, чтобы обеспечить поток чипа. Для внутренних брошей задняя поверхность вставки не должна втирать обработанную поверхность.

Стратегии охлаждения и смазки

Эффективное охлаждение является фактором, приводящим к образованию разрыва. Системы охлаждающей жидкости высокого давления (ХПД) подают жидкость непосредственно в зону резки:

• С помощью инструмента охлаждающая жидкость: Внутренние каналы в брош-шанке или через сами зубы доставляют охлаждающую жидкость на уровне 50-200 бар. Это наиболее эффективно для глубокой внутренней прокладки.
• Внешнего наводнения или струи: Для мелкой прошивки достаточно большого объёма наводнения (20—40 л/мин) со форсунками, направленными на каждый зуб.
• Минимальное количество смазки (MQL): Для отделочных работ, где может применяться масляный туман, MQL снижает затраты на жидкость и отходы. Однако для суперсплавов MQL может не обеспечивать достаточного рассеивания тепла.
• Криогенное охлаждение: Жидкий азот (−196 °C), поставляемый через инструмент, может резко снизить температуру резки, уменьшая химический износ. Это новая технология для аэрокосмических сплавов.

Выберите охлаждающую жидкость, подходящую для материала: эмульсии на водной основе для общей стали / титана, масляную для высокой смазки в отделке и синтетические жидкости для защиты от коррозии. Всегда фильтруйте охлаждающую жидкость до <10 мкм, чтобы избежать циркулирующих абразивных частиц.

Контроль и эвакуация чипов

При прошивке каждый зуб режет фиксированную толщину чипа (обычно 0,01–0,10 мм). Трудные материалы производят струнные, жесткие чипы, которые легко забиваются между зубами, вызывая катастрофический сбой инструмента.

• Конструкция пульта: Пространство между зубцами должно быть достаточно большим, чтобы вместить объем чипа. Используйте соотношение пространства чипа (площадь чайки / сечение чипа) не менее 3:1. Для суперсплавов увеличьте до 5:1.
• Чип-брейкеры: Включают небольшие канавки или выступы на грабли лицом к завиткам и разламывающим чипам. Для титана идеально подходит конструкция чип-брейкера, которая производит короткие чипы в форме «С».
• Изменение шага: Изменение шага (неравномерное расстояние) предотвращает резонансные вибрации и помогает разбить чипы, изменяя толщину неразрезанного чипа.
• Направление охлаждающей жидкости: Нацелить струи высокого давления на взрывные чипы вдали от зоны резки; для внутренней прокладки эффективно центральное отверстие охлаждающей жидкости с выходными отверстиями на каждом зубе.

Оптимизация параметров резки и условий процесса

Скорость, корм и глубина разреза

Скорость прорезывания относительно низкая (1-20 м/мин), поскольку инструмент находится в постоянном контакте по многим зубам.

• Скорость: Старт на нижнем конце: Inconel 718 → 2-6 м/мин; Ti-6Al-4V → 6-12 м/мин; закаленная сталь (55 HRC) → 2-4 м/мин. Более низкие скорости снижают выработку тепла и износ инструмента.
• Корм на зуб (нагрузка чипа): Обычно 0,02–0,08 мм на зуб. Для материалов для уплотнения работы избегайте очень маленьких кормов (<0,02 мм), которые вызывают трение и закалку работы. Используйте средний корм с положительным грабежом.
• Глубина разреза (полное удаление скота): Распределите сток по многим зубам (например, 30–50 зубов) для поддержания толщины каждого чипа. Для грубой прошивки допустите нагрузку на зуб 0,04–0,07 мм на зуб; для отделки уменьшите до 0,01–0,02 мм на зуб.

Всегда проверяйте параметры с помощью инкрементных тестов. Используйте мониторинг силы резания (например, динамометр) для обнаружения ненормального износа или сколов.

Подготовка заготовки и фиксация

Плохая жесткость заготовки вызывает болтовню и поломку инструмента.

• Присадка должна поддерживать заготовку вдоль всего штриха проволоки. Для тонкостенных деталей (например, турбинных дисков) используйте втулки или заполняйте пустоты сплавом с низким содержанием плавления для ослабления вибрации.
• Обеспечить выравнивание оси броши с заготовкой в пределах 0,02 мм на метр. Несбалансированность приводит к неравномерной нагрузке на зуб и преждевременному износу.
• Для материалов с высокой эластичностью (титан) предварительно проделали отверстие с небольшим сужением, чтобы уменьшить начальную силу резания на первых нескольких зубах.

Инструмент Runout and Alignment

Брошюрные инструменты длинные и тонкие; несоответствие увеличивает силы экспоненциально. Используйте направляющий втулку, близко к заготовке. Проверьте прямолинейность шанка (≤0,03 мм МДП) и убедитесь, что головка тягача концентрична. Для внутренних брошей плавающий держатель может компенсировать незначительное несоответствие.

Моделирование и тестирование в дизайне инструментов для брокинга

Современный дизайн основан на анализе конечных элементов (FEA) и программном обеспечении для моделирования резки. Эти инструменты предсказывают:

• Распределение напряжения в подложке инструмента и покрытии; изменения конструкции могут уменьшить пики напряжения растяжения, которые вызывают растрескивание.
• Тепловое поле в заготовке и инструменте; моделирование показывает, является ли стратегия охлаждающей жидкости адекватной.
• Образование чипов с использованием моделей материалов (например, Johnson-Cook) для оптимизации выключателей микросхем и размера глотки.

Физическое тестирование остается важным. Используйте пробные броши с 5-10 зубами для проверки геометрии и покрытия перед полномасштабным производством. Измерьте износ инструмента под микроскопом (измерьте износ инструмента под микроскопом) <0.3 mm is typical limit). Record surface finish (Ra < 0.8 µm for finishing).
Внешняя ссылка: Sandvik Coromant — центр знаний материалов для конкретных данных резки.

Тематические исследования: Браконьерные сплавы инконеля и титана

Дело 1: Промывание слотов из елового дерева в Инконеле 718

Производителю газотурбинных дисков требовалось проложить в стволах ели в Инконеле 718. Первоначальные броши HSS длились всего 40 частей. Перейдя на карбидно-наконечную брошь с покрытием AlTiN и внутренней охлаждающей жидкостью на 80 бар, они достигли 180 частей на брошь. Ключевые изменения:

• Угол зубной грабли изменился с +8° до +5° с оттоком на 0,04 мм.
• Чип-брейкеры добавляли на шаге 3 мм с глубиной 0,3 мм.
• Объемы гульдена увеличились на 30%.
• Скорость среза снижается с 8 м/мин до 5 м/мин.

Результат: последовательный Ra 0,6 мкм и 4× более длительный срок службы инструмента.

Случай 2: Сплин-брачение в Ti-6Al-4V

Поставщик автомобилей проложил внутренние линии в титановых хабах. Использование обычных инструментов HSS на 12 м/мин дало тяжелый нарост и плохую отделку поверхности. Они были переработаны с:

• Положительные грабли (+10°) с большим радиусом кромки для уменьшения силы резания.
• TiCN покрытие для уменьшения одышки.
• Охладитель высокого давления (150 бар) через брошь для эвакуации липких чипов.
• Уменьшение корма на зуб (0,025 мм) для минимизации нагрева.

Результат: отделка поверхности улучшилась до Ra 0,4 мкм, а срок службы инструмента увеличился на 3× по сравнению с предыдущим дизайном.

Лучшие практики для жизни инструментов и поверхностного отделки

• Всегда начинайте с консервативных параметров и увеличивайте пошаговый контроль сил и качества поверхности.
• Используйте систему управления инструментами для отслеживания истории прошивки — интервалы перемола, количество деталей, режимы отказа.
• Применять передний препарат (микро-бластирование, чистка) для гладкого покрытия краев и уменьшить микрочипирование.
• Храните броши в сухой контролируемой среде; избегайте коррозии на карбидных подложках.
• Рассмотрим гибридные конструкции : различные материалы для шероховатости и отделки зубов — например, карбид для шероховатости, cBN для отделки.
• Для очень сложных материалов, аутсорсинг дизайна для специалистов, таких как Kennametal Engineering или Seco Tools для разработки на заказ прокладки.

Заключение

Проектирование инструментов для прокладки труднодоступных для машин материалов является многовариантной задачей, которая поощряет систематическое принятие решений, основанных на данных. Начните с глубокого понимания тепловых, механических и химических свойств материала заготовки. Выберите материалы инструмента и покрытия, которые могут выдерживать экстремальные температуры и абразивный износ. Оптимизируйте геометрию - углы рейка, рельеф, подготовка кромки и выключатели микросхем - для управления образованием чипов и снижением сил. Реализуйте стратегии охлаждающей жидкости высокого давления и обеспечить надежную фиксацию.

Используйте моделирование для проверки конструкций и проведения итеративного тестирования для уточнения параметров.

Следуя принципам, изложенным в этой статье, производители могут значительно продлить срок службы инструмента, добиться превосходной отделки поверхности и снизить стоимость на часть даже при обработке самых сложных сплавов.Непрерывное улучшение за счет сбора данных и сотрудничества с экспертами по инструментам еще больше раздвинет границы того, что может достичь в аэрокосмической, автомобильной и энергетической областях.