Роль смазки и охлаждения в улучшении качества брухинга

Понимание критической роли смазки и охлаждения в повышении качества

Брохинг - это высокоэффективный процесс обработки, используемый для получения сложных внутренних и внешних геометрий с жесткими допусками и превосходной отделкой поверхности. В отличие от других операций резки, в которых используются одноточечные или многоточечные инструменты, бросок полагается на зубчатый инструмент - брошь - с последовательным увеличением высоты зубов для удаления материала за один проход. Это агрессивное удаление материала генерирует значительное тепло и трение, что делает смазку и охлаждение абсолютно необходимыми для достижения последовательного качества, размерной точности и длительного срока службы инструмента.

При оптимизации смазки и охлаждения производители видят измеримые улучшения в качестве деталей, снижение скорости утилизации и снижение общих эксплуатационных расходов. И наоборот, пренебрежение этими факторами приводит к преждевременному износу инструмента, плохой отделке поверхности, тепловому искажению заготовки и частым простоям машины. В этой статье исследуются фундаментальные роли смазки и охлаждения в прокладке, рассматриваются конкретные типы жидкостей и методы доставки и предоставляются практические рекомендации для улучшения производительности прокладки в производственных средах.

Основы трения и тепла в брейкинге

Во время прорезывания режущие зубы задействуют заготовку в непрерывном режущем действии. Грабящая поверхность каждого материала для стрижки зуба, при этом фланговая поверхность трется о вновь обработанную поверхность. Это создает интенсивное трение на интерфейсе инструмент-чип и вдоль контактной зоны инструмент-заготовка. В отличие от поворота или фрезерования, где резка является прерывистой, прорезка включает непрерывный контакт по длинной длине инструмента, который концентрирует тепло на небольшой площади.

Тепло, выделяемое при трении и пластической деформации чипа, может поднять температуру на режущей кромке до нескольких сотен градусов Цельсия. Без адекватного охлаждения это тепло накапливается в инструменте и заготовке, вызывая:

• Тепловое расширение заготовки, приводящее к размерным ошибкам.
• Умягчение режущей кромки броши, ускорение износа.
• Построенный край (BUE) образование, где материал заготовки приваривается к инструменту, разлагая поверхность отделки.
• Тепловое растрескивание подложки инструмента за счёт циклического нагрева и охлаждения.

Смазка устраняет трение непосредственно путем размещения тонкой пленки между контактирующими поверхностями, снижения коэффициента трения и снижения силы резания. Охлаждение рассеивает тепло для поддержания стабильных температур, сохраняя твердость инструмента и геометрию заготовки. Вместе они создают тепловые и механические условия, необходимые для качественной прокладки.

Роль смазки в брухинге

Как смазка улучшает жизнь инструмента и отделку поверхности

Смазочные материалы снижают прочность сдвига материала на интерфейсе микросхемы, облегчая скользящему по грабли лицу скольжение чипа. Это снижает требуемые силы резания, что в свою очередь снижает механическое напряжение на зубах броши. Более низкие силы также минимизируют отклонение инструмента, что приводит к лучшей точности позиционирования.

Эффективная смазка также предотвращает слипание между инструментом и заготовкой. Слияние является основной причиной БУЭ, которая может разрывать материал с заготовки и оставлять грубую, выгнутую поверхность. Предотвращая контакт металла с металлом, смазочные материалы способствуют чистому потоку чипа и оставляют гладкую поверхность.

Кроме того, смазочные материалы уносят часть выделяемого тепла, хотя их основной функцией является уменьшение трения. Сочетание снижения выработки тепла и трения приводит к значительному увеличению срока службы инструмента. Во многих производственных операциях по прокладке прокладки переход от масла для резки общего назначения к специализированной прокладке смазки может удвоить или утроить количество деталей, произведенных на перемалывание инструмента.

Виды смазочных материалов, используемых в брухинге

Выбор смазки зависит от материала заготовки, скорости прокладки, геометрии инструмента и экологических норм. Три основные категории:

Смазочные материалы на масляной основе

Прямые масла (минеральные, синтетические или сложные с экстремальными добавками давления) обеспечивают наивысшую смазку для прокладки тяжелых материалов. Они особенно эффективны на жестких, проточных материалах, таких как нержавеющие стали, суперсплавы и титан, где условия контакта с высоким давлением и температурой требуют сильной граничной смазки. Многие масляные прокладочные смазочные материалы содержат серу, хлор или фосфорные добавки EP, которые химически реагируют с поверхностью металла, образуя защитный слой, который предотвращает сварку и уменьшает износ.

Масляные смазочные материалы, как правило, не смешиваются с водой, поэтому они не обеспечивают значительного испарительного охлаждения. Их основная роль заключается в смазке. Они часто используются с системами подачи высокого давления в горизонтальных прокладочных машинах, где затопление охлаждающей жидкостью не так эффективно из-за ориентации инструмента.

Водорастворимые эмульсии

Это смеси масляного концентрата и воды, обычно в концентрациях от 5% до 15% масла. Они обеспечивают хорошую смазку для менее требовательных применений, обеспечивая при этом отличную холодопроизводительность из-за высокой удельной теплоты воды. Водорастворимые жидкости обычно используются в вертикальной прокладке алюминия, низкоуглеродистой стали и чугуна. Они более экономичны и экологичны, чем прямые масла, поскольку имеют более низкие затраты на утилизацию и сниженный риск пожара.

Однако эмульсии на водной основе требуют тщательного обслуживания для предотвращения роста бактерий, расщепления эмульсии и коррозии. Для поддержания работоспособности необходим регулярный контроль концентрации, рН и загрязнения. Для высоколегированных сталей и труднодоступных для машин материалов водорастворимые жидкости могут не обеспечивать достаточную смазку, что приводит к более высоким показателям износа.

Твердые смазочные материалы

Твердые смазочные материалы, такие как графит, дисульфид молибдена (MoS2) и нитрид бора, используются в конкретных применениях, где жидкие смазочные материалы не могут быть применены, например, в некоторых высокотемпературных или вакуумных средах. Они обычно применяются в виде сухих пленок или в пастообразной форме. В прошивке твердые смазочные материалы менее распространены из-за трудностей применения и плохих охлаждающих свойств, но они могут быть полезны для низкоскоростных операций высокого давления, где традиционные смазочные материалы выдавливаются из контактной зоны.

Методы применения смазки

Даже самая лучшая смазка выйдет из строя, если не достигнет зоны резки. Методы применения включают:

• Смазка от потопа: Постоянный поток смазки, направленный на интерфейс инструмент-заготовка. Это наиболее распространенный метод вертикальной прошивки.
• Мистическая смазка: Тонкий распылитель атомизированной смазки в сжатом воздухе. Используется для светопропускных или прерывистых операций для минимизации потребления жидкости.
• Системы сквозного инструмента высокого давления: Смазка доставляется по внутренним каналам в брош-инструменте непосредственно к режущим кромкам. Это обеспечивает надежную доставку даже при глубоких разрезах или операциях закрытой геометрии.
• Ручное или капельное применение: Используется в малообъемных или опытных работах, но ненадежно для согласованности производства.

Выбор правильной вязкости и аддитивного пакета так же важен, как и способ доставки. Для высокоскоростных или тяжелых разрезов обычно требуется масло более высокой вязкости с добавками ЕР. Для высокоскоростной прошивки более мягких металлов более низкая вязкость может улучшить проникновение и эвакуацию чипа.

Роль охлаждения в брухинге

Теплогенерация и ее последствия

Тепло в прокладке поступает в основном из трех источников: стрижка материала чипа, трение между чипом и граблей лицом и трение между флангом зуба и заготовкой. Температура на режущей кромке может превышать 600°C (1100°F) при прокладке закаленных сталей или суперсплавов.

Если тепло не удаляется быстро, возникает несколько проблем:

• Смягчение инструментов: Высокоскоростные стальные (HSS) броши теряют твердость выше примерно 550 °C, ускоряя износ флангов и износ кратеров.Трубы с кончиками карбида более термостойкие, но все же восприимчивы к тепловому удару при неправильном охлаждении.
• Тепловое повреждение заготовки : Локализованное нагревание может вызвать микроструктурные изменения (например, повторное затвердевание или закалку) в обрабатываемой поверхности, уменьшая срок службы усталости.
• Размерная неточность: Тепловое расширение заготовки изменяет количество материала, удаляемого за проезд, что приводит к негабаритным или негабаритным частям.
• Растрескивание инструмента: При прерывистой резке повторный тепловой цикл может вызвать усталостные трещины. При непрерывной прокладке даже накопление тепла может привести к катастрофическому отказу инструмента.

Методы охлаждения

Основная цель охлаждения состоит в удалении тепла из зоны резки и стабилизации температуры как инструмента, так и заготовки. Общие методы включают:

Охлаждение от наводнений

При потопливном охлаждении большой объем теплоносителя (эмульсия на водной основе или масло низкой вязкости) заливается над зоной резки. Это обеспечивает как охлаждение, так и промывку чипа. Высокий удельный теплотвор воды делает водяное потопное охлаждение очень эффективным при удалении тепла. Типичные скорости потока варьируются от 20 до 200 литров в минуту в зависимости от размера машины.

Охлаждение от наводнений просто и эффективно для многих операций прокладки, но имеет ограничения. Охладитель может не проникать в глубокие, узкие прорези или внутренние прокладочные инструменты малого диаметра. Также поток охлаждающей жидкости может отклоняться геометрией инструмента или высокоскоростными чипами. Фильтрация имеет решающее значение для предотвращения циркуляции мелких чипов, которые могут истирать инструмент.

Туманное охлаждение

Туманное охлаждение использует тонкий распылитель охлаждающей жидкости в сжатом воздухе. Атомизированные капли испаряются при контакте с горячими поверхностями, обеспечивая эффективное удаление тепла через скрытое тепло испарения. Туманное охлаждение использует гораздо меньше жидкости, чем потопное охлаждение, снижая затраты на отходы и утилизацию. Однако оно обеспечивает меньшую смазку и может не подходить для тяжелых разрезов, где требуется высокая смазка.

Туманное охлаждение часто используется в высокоскоростной прокладке более мягких материалов, где удаление тепла является основной проблемой и где управление жидкостью имеет решающее значение (например, в условиях чистой комнаты или при обработке магния, где охлаждающие жидкости на водной основе опасны).

Высоконапорные системы охлаждения

Системы хладагента высокого давления (HPC) поставляют хладагент при давлениях от 70 до 200 бар (1000 до 3000 фунтов на квадратный дюйм) через небольшие сопла, направленные на зону резки. Высокоскоростная сила хладагента в интерфейс инструмент-чип, нарушая паровой барьер, который обычно изолирует инструмент. Системы HPC особенно эффективны для прокладки труднодоступных для машин материалов, таких как титан и Inconel, где генерация тепла является экстремальной.

HPC также улучшает эвакуацию чипов, снижая риск упаковки чипов, которые могут сломать брошь.Дополнительная гидравлическая сила от струи охлаждающей жидкости может даже помочь протолкнуть брошь через разрез, немного уменьшая требуемое усилие притяжения.

Выбор правильного типа охлаждения

Выбор теплоносителя (водного или масляного) оказывает непосредственное влияние на эффективность охлаждения. Вода обладает удельной теплоемкостью примерно в два раза больше, чем масло, поэтому теплоносители на водной основе быстрее убирают тепло. Однако теплоносители на масляной основе обеспечивают лучшую смазку при высоких температурах. Лучший выбор зависит от того, какой фактор доминирует в работе: для низкоскоростной, высокофорсированной прошивки жестких материалов смазка является критической и маслобойная теплоноситель предпочтительнее. Для высокоскоростной прокладки низкоуглеродистой стали или алюминия эмульсия на водной основе обеспечивает превосходное охлаждение и адекватную смазку.

Важно также учитывать защиту от коррозии. Охладители на водной основе требуют добавок для предотвращения ржавчины как на машине, так и на заготовке. Охладители на масляной основе естественным образом обеспечивают защиту от коррозии, но представляют опасность возгорания, если туманы охлаждающей жидкости воспламеняются вблизи горячих поверхностей.

Синергетический эффект смазки и охлаждения на качество прорыва

Смазка и охлаждение не являются независимыми; они работают вместе, чтобы создать оптимальную среду резки. Хорошо спроектированная жидкостная система максимизирует обе функции одновременно.

Surface завершает

На качество прошитой поверхности непосредственно влияет сочетание снижения трения и контроля температуры. При адекватной смазке режущая кромка остается более резкой, а чип свободно скользит без удушья. При правильном охлаждении контролируется тепловое расширение, а инструмент поддерживает постоянный контакт с заготовкой. Результатом является поверхность с низкой шероховатостью (в производстве значения Ra часто ниже 0,4 мкм) и отсутствием меток для сжигания или слезных линий.

Напротив, плохая смазка приводит к застроенному образованию кромки, которая оставляет за собой неправильные гребни и рваный материал.Недостаточное охлаждение вызывает размягчение заготовки, позволяя инструменту пахать, а не стричь металл, снова ухудшая отделку поверхности.

Точность измерения

Броашинг обычно используется для точных применений, таких как клавиши, сплайны и штанги передач, где допуски варьируются от IT7 до IT9 (типичная величина 0,01-0,05 мм). Для удержания этих допусков тепловое расширение заготовки должно быть сведено к минимуму. Эффективное охлаждение гарантирует, что температура детали во время прошивки остается близкой к окружающей среде, так что после охлаждения она не искажается. Смазка также способствует снижению силы резания, что минимизирует отклонение инструмента и гарантирует, что инструмент следует по намеченному пути без подъема или болтовни.

Инструменты жизни

Срок службы инструмента, пожалуй, является наиболее заметным преимуществом оптимизированной смазки и охлаждения. Правильно смазанная прослойка может длиться несколько тысяч частей, прежде чем потребуется повторное затвердевание, тогда как плохо смазанный инструмент может выйти из строя после нескольких сотен частей. Охлаждение продлевает срок службы инструмента, предотвращая термическое размягчение и снижение скорости износа инструмента (где материал инструмента мигрирует в чип). Сочетание низкого трения и контролируемой температуры может снизить скорость износа инструмента на 50% или более по сравнению с сухой обработкой или минимальной смазкой.

Расширенный срок службы инструмента снижает затраты на простои и замену инструмента. Для высокопроизводительных сред даже увеличение срока службы инструмента на 20% напрямую приводит к значительной экономии затрат и более высокому использованию машины.

Стабильность процесса

Последовательное смазывание и охлаждение снижают изменчивость сил и температур резки, что приводит к более предсказуемым результатам процесса. Эта стабильность имеет решающее значение для автоматизированного производства, где требуется жесткий статистический контроль процесса (SPC). Стабильность процесса также снижает риск поломки инструмента, которая может повредить заготовку, машину и окружающее оборудование.

Лучшие практики для оптимизации смазки и охлаждения в брухинге

Выберите правильный флюид для приложения

Начните с анализа материала заготовки и параметров прошивки. Для алюминия и мягких сталей часто хорошо работает водорастворимая эмульсия при концентрации 8-12%. Для нержавеющей стали и высокотемпературных сплавов используют высоковязкое прямое масло с добавками ЕР. Для чугуна низковязкое масло с хорошими проникающими свойствами помогает промыть абразивные частицы графита.

Обеспечить правильный поток и фильтрацию

Система охлаждающей жидкости должна доставлять жидкость при достаточном объеме и давлении, чтобы достичь всех режущих кромок. Для внутренней прокладки используйте хладагент через инструмент, если это возможно. Фильтруйте охлаждающую жидкость, чтобы удалить чипы и мелкие частицы размером до 20 микрон, которые могут вызвать абразивный износ. Магнитные сепараторы, бумажные фильтры и центрифуги являются общими. Чистая система охлаждающей жидкости также предотвращает рост бактерий в жидкостях на водной основе.

Концентрация и состояние охлаждающего агента

Охладители на водной основе теряют воду в результате испарения, в результате чего концентрация дрейфует. Используйте рефрактометр для ежедневной проверки концентрации. Также тестируйте pH (обычно 8,5-9,5) и бактериальные уровни. Изменяйте охлаждающую жидкость на плановой основе или когда загрязнение превышает пределы. Охладители на масляной основе должны проверяться на вязкость, истощение добавок и загрязнение маслом батутов из машинной гидравлики.

Оптимизируйте положение и ориентацию насадки приложения

Направьте поток охлаждающей жидкости к точке, где зуб броши впервые контактирует с заготовкой. Для вертикальной прокладки форсунки расположены близко к входу инструмента и угловому их движению по флангу инструмента. Для горизонтальной прокладки используйте несколько форсунок вдоль оси инструмента. Убедитесь, что щепы смыты из зоны резки, чтобы предотвратить резку или упаковку чипа.

Рассмотрим температурный контроль охлаждающего агента

В высокопроизводительных средах сама охлаждающая жидкость может нагреваться с течением времени, уменьшая ее охлаждающую способность. Установите чиллер или теплообменник для поддержания температуры охлаждающей жидкости в пределах ±2 ° C оптимальной заданной точки (обычно 20–30 ° C). Стабильная температура охлаждающей жидкости улучшает консистенцию обработки и предотвращает тепловые удары по инструменту.

Используйте добавки высокого давления мудро

Добавки EP (сера, хлор, фосфор) образуют химическую пленку на поверхности инструмента, которая защищает от износа при высоких температурах. Однако они могут быть экологически опасными и требуют надлежащей утилизации. Они также могут вызывать окрашивание некоторых металлов. Используйте добавки EP только при необходимости - обычно для прошивки нержавеющей стали, титана или высокопрочных сплавов. Для стандартных сталей часто достаточно безхлорной композиции.

Устранение общих проблем, связанных с смазкой и охлаждением

Примеры случаев: смазка и охлаждение в действии

Пример 1: Прорыв слотов для дисков Inconel 718 Turbine

Производитель дисков аэрокосмических турбин боролся с коротким сроком службы инструмента при прокладке слотов для ели в Inconel 718. Предыдущая жидкость была водорастворимым охлаждающим средством общего назначения с концентрацией 6%. После перехода на серное прямое масло с высокой активностью EP и внедрения охлаждения с помощью инструмента высокого давления на 150 бар срок службы инструмента увеличился на 300%. Заготовка поверхности детали улучшилась с 0,8 мкм до 0,2 мкм. Инвестиции в модернизацию системы охлаждающей жидкости были восстановлены за три месяца за счет снижения затрат на инструмент и увеличения времени безотказной работы.

Пример 2: Прорыв алюминиевого двигателя блок цилиндра скуки

На заводе автомобильных двигателей прокладывались литые алюминиевые блоки. Использованная водорастворимая охлаждающая жидкость вызывала окрашивание и коррозию на обрабатываемых поверхностях. Завод заменил охлаждающую жидкость полусинтетической жидкостью, специально разработанной для алюминия, с низким рН и ингибиторами коррозии. Также добавили автоматический регулятор концентрации охлаждающей жидкости. Окрашивание было устранено, а срок службы инструмента увеличился на 40% за счет лучшей смазки. Изменение охлаждающей жидкости также улучшило рабочую среду за счет уменьшения запахов.

Заключение

Смазка и охлаждение не являются обязательными в высококачественной прокладке; они являются основополагающими параметрами процесса, которые непосредственно влияют на срок службы инструмента, качество деталей и производительность. Выбор правильной смазки и охлаждающей жидкости в сочетании с надлежащими методами применения может превратить предельную прокладку в надежный, повторяемый процесс. Производители должны критически оценивать свои текущие системы текучей среды и инвестировать в улучшения, где это необходимо. Такие ресурсы, как руководство по резке жидкостей Sandvik Coromant и Основы обработки жидкостей MSC Industrial Supply , обеспечивают отличные отправные точки для более глубокой технической ссылки.

Приоритетное определение смазки и охлаждения позволяет магазинам добиться стабильного качества, сократить расходы на часть и продлить срок службы дорогостоящих инструментов для прокладки. В отрасли, где точность и эффективность имеют первостепенное значение, эти два простых элемента обеспечивают негабаритную отдачу.