Инжиниринг

Обработка инструментами с длинным вылетом

Сегодня возрастает востребованность более строгих допусков и стабильной повторяемости обработки. Однако современные тенденции производства создают дополнительные сложности для прецизионного растачивания и токарных операций, выполняемых с помощью инструментов увеличенной длины.
16 декабря 2019

Материал предоставлен отделом маркетинга, исследований и разработок инструментальных систем компании Seco Tools (Швеция).

Новые материалы заготовок с повышенными эксплуатационными характеристиками сложнее обрабатывать, из-за чего повышается нагрузка на систему обработки. Для экономии времени и средств обычно изготавливается несколько деталей из одной монолитной заготовки. В таких случаях обработку глубоких отверстий и токарную обработку сложных компонентов выполняют с помощью многофункциональных станков.

Производителям, стремящимся преодолеть эти трудности, необходимо изучить все элементы систем обработки и применять методы и инструменты, обеспечивающие эффективную работу. Основные аспекты в данном случае –стабильность станка, фиксация инструмента, крепление заготовки и геометрия режущего инструмента. Основу точных и эффективных процессов растачивания и токарной обработки инструментами с длинным вылетом образуют прочное крепление, надежные инструменты и правильное их использование.

В первую очередь, в обновлении инструментов и технологий заинтересованы производители компонентов для нефтегазовой, энергетической и аэрокосмической отраслей, поскольку в этих областях необходимо регулярно работать с более сложными деталями, для обработки которых нужны инструменты увеличенной длины. Многие детали изготавливаются из прочных сплавов, при обработке которых возникают высокие усилия резания, вызывающие вибрацию. Тем не менее, практически каждый изготовитель может достичь высокой производительности и сократить затраты для операций растачивания с длинным вылетом.

Изгиб и вибрация

В отличие от других операций резания, при глубоком растачивании режущая кромка работает в отверстии на увеличенном расстоянии от соединения со станком. Для внутренней токарной обработки с длинным вылетом свойственны похожие условия. Операции растачивания и токарной обработки могут включать в себя прерывистую обработку отверстий, например, для заготовок корпусов насосов или компрессоров. Величина вылета инструмента определяется глубиной отверстия и может вызвать изгиб расточной оправки или токарного инструмента увеличенной длины.

Изгиб увеличивает изменяющиеся усилия в процессе резания и может вызвать вибрацию и биение, которые приводят к ухудшению качества обработки поверхности, быстрому износу или поломке режущих инструментов. А также — к повреждению компонентов станка, например, шпинделей, с последующим дорогостоящим ремонтом и к вынужденным длительным простоям. Переменные усилия возникают из-за нарушения баланса между компонентами станка, недостаточной жесткости системы или вибрации элементов системы обработки. Давление резания также изменяется при переменной нагрузке инструмента во время образования и отламывания стружки. Отрицательные последствия вибрации при обработке — низкое качество поверхности, неточные размеры отверстия, быстрый износ инструмента, снижение скорости обработки материала, увеличение производственных затрат и повреждение держателей инструмента и станков.

Жесткость станка и крепление заготовки

В соответствии с основным принципом гашения вибрации элементы системы обработки должны иметь максимальную жесткость. Во избежание нежелательных перемещений станки необходимо изготавливать из жестких тяжелых конструкционных элементов, усиленных бетоном или другим вибропоглощающим материалом. Подшипники и втулки станка должны быть надежно закреплены.

Детали должны быть правильно расположены и хорошо закреплены внутри станка. Следует использовать крепежные элементы, основные свойства которых –простота и жесткость. Зажимы необходимо размещать как можно ближе к участкам резания. Тонкостенные или сварные заготовки, а также заготовки с неподдерживаемыми секциями подвержены вибрации при обработке. Для повышения жесткости детали можно модифицировать, однако изменения конструкции могут привести к увеличению массы и ухудшению характеристик обработанной продукции.

Держатель инструмента

Для максимальной жесткости расточная или токарная оправка должна иметь минимальную длину, которая при этом обеспечит обработку отверстия или компонента по всей длине. Расточные оправки должны иметь максимальный диаметр, который будет соответствовать отверстию и обеспечивать эффективное удаление стружки.

 При образовании и отламывании стружки усилие резания увеличивается и уменьшается соответственно. Такие изменения усилия представляют собой дополнительный источник вибрации, которая может взаимодействовать с естественной вибрацией держателя инструмента или станка, стать самоподдерживающейся и даже увеличиваться. Другие источники такой вибрации — изношенные инструменты или же инструменты, которые не обеспечивают достаточную глубину прохода. Это становится причиной нестабильности операций или резонанса, который также синхронизируется с естественной частотой колебаний шпинделя станка или инструмента, что впоследствии приводит к нежелательной вибрации.

Длинный вылет расточной или токарной оправки может вызывать вибрацию в системе обработки. Основной метод гашения вибрации — использование коротких жестких инструментов. Чем больше отношение длины оправки к диаметру, тем больше вероятность возникновения вибрации.

Разные материалы оправок вызывают вибрации разных уровней. Стальные оправки обычно обеспечивают виброустойчивость при отношениях длины к диаметру оправки до 4:1 (L/D). Тяжелые металлические оправки из вольфрамовых сплавов имеют бо́льшую плотность по сравнению со сталью и эффективно выполняют свои функции при отношениях L/D до 6:1. Цельные твердосплавные оправки имеют более высокую жесткость и позволяют работать при отношениях L/D до 8:1, но и стоимость таких оправок — более высокая, особенно в тех случаях, когда требуется оправка большого диаметра.

 Гашение вибрации также обеспечивают регулируемые оправки. Они оснащены внутренним инерционным виброгасителем, предназначенным для колебания с резонансной частотой в противофазе с нежелательной вибрацией, поглощения энергии вибрации и минимизации вибрации. Например, система Steadyline® от Seco Tools (см. врезку) оснащена предварительно настроенным виброгасителем, основой конструкции которого является демпфирующий элемент из материала высокой плотности, подвешенный внутри оправки держателя инструмента с помощью радиальных поглощающих элементов. Демпфирующий элемент незамедлительно поглощает вибрацию, которая распространяется от режущего инструмента к корпусу оправки.

Более сложные и дорогие системы активного гашения вибрации инструмента — устройства с электронной активацией. Они обнаруживают вибрацию и с помощью электронных приводов создают дополнительное перемещение в оправке для устранения нежелательного перемещения.

Материал заготовки

Характеристики резания материала заготовки могут способствовать возникновению вибрации. Твердость материала, склонность к образованию наростов на кромке или деформационному упрочнению, наличие твердых включений изменяет или прерывает усилия резания, что может привести к вибрации. При обработке определенных материалов регулировка параметров резания позволяет свести к минимуму вибрации.

Геометрия режущего инструмента

Режущий инструмент подвержен тангенциальному и радиальному изгибу. Радиальный изгиб негативно влияет на точность диаметра отверстия. При тангенциальном изгибе пластина перемещается вниз от оси симметрии детали. В частности, при растачивании отверстий малого диаметра изменяемый внутренний диаметр отверстия уменьшает задний угол между пластиной и отверстием.

При тангенциальном изгибе инструмент перемещается вниз от осевой линии обрабатываемого компонента, из-за чего уменьшается задний угол. Радиальный изгиб уменьшает глубину резания, что негативно сказывается на точности обработки и приводит к изменению толщины стружки. Также из-за изменения глубины резания изменяются усилия резания, что может привести к вибрации.

Элементы геометрии пластины, включая передний угол, заходной угол и радиус вершины, могут увеличивать или уменьшать вибрацию. Например, пластины с позитивным передним углом создают меньшее тангенциальное усилие резания. Однако модели с позитивным передним углом уменьшают зазор, что может привести к истиранию и вибрации. Большой передний угол и малый угол кромки обеспечивают остроту режущей кромки, что снижает усилия резания. Тем не менее острая кромка может быть повреждена в результате удара или неравномерного износа, из-за чего снизится качество обработки поверхности отверстия.

  Небольшой заходной угол режущей кромки обеспечивает высокие осевые силы резания, в то время как большой заходной угол создает силу в радиальном направлении. Осевые силы оказывают ограниченное влияние на операции растачивания, поэтому предпочтение отдают небольшому заходному углу. В свою очередь, небольшой заходной угол также приводит к концентрации усилий резания на меньшей части режущей кромки по сравнению с большим заходным углом, что может привести к сокращению срока службы инструмента. Кроме того, заходной угол инструмента влияет на толщину стружки и направление схода стружки. Для минимизации радиальных усилий резания необходимо, чтобы радиус вершины пластины был меньше глубины резания.

 Контроль стружкообразования

 Удаление стружки из отверстия — основная сложность при растачивании. Геометрия пластины, скорость резания и характеристики резания материала заготовки влияют на стружкообразование. Для растачивания предпочтительной является короткая стружка, поскольку ее легче удалять из отверстия. Кроме того, такая стружка сводит к минимуму усилия на режущей кромке. Однако геометрия пластин сложной формы, предназначенная для разрушения стружки, обычно приводит к повышенному расходу энергии и может стать причиной вибрации.

 Для операций по высококачественной обработке поверхностей может потребоваться небольшая глубина резания. В этом случае образуется более тонкая стружка, из-за чего усложняется стружкообразование. Более высокая скорость подачи может обеспечить разрушение стружки, но также может увеличить усилия резания и вызвать биение, что отрицательно повлияет на качество поверхности. Большая скорость подачи также может привести к образованию наростов на кромке при обработке низкоуглеродистых сталей. Таким образом, более высокая скорость подачи и оптимальная подача СОЖ могут стать решением для стружкообразования при растачивании более ковкой легированной стали.

 Заключение

 Растачивание и токарная обработка глубоких отверстий с помощью инструментов увеличенной длины являются основными и наиболее распространенными процессами металлообработки. Для эффективности этих операций необходимо проводить комплексную оценку системы обработки. Такой подход позволяет убедиться, что различные факторы, направленные на максимальное уменьшение вибрации и поддержание качества продукции, в комплексе обеспечивают максимальную производительность и рентабельность.

 Высокая производительность с помощью инструментов с пассивным гашением вибрации

 Инструменты Steadyline® от Seco Tools позволяют выполнять типовые операции с длинным вылетом в два раза быстрее по сравнению с инструментами без гашения вибрации. Такие инструменты также повышают качество обработки поверхности детали, увеличивают срок службы инструмента и снижают нагрузку на станок. Благодаря технологии пассивного/динамического гашения вибраций можно выполнять операции, которые ранее были невозможны даже при минимальных параметрах обработки, например, использование инструментов с отношением L/D более 6:1. Токарные и расточные операции для малых и больших отверстий глубиной до 10D можно выполнять надежно и эффективно.

Работа системы динамического/пассивного гашения вибрации Steadyline® основана на взаимодействии вибрационных сил. Во время работы усилие резания вызывает в держателе перемещение (вибрацию). Для компенсации вибрации система Steadyline® использует свойства второго внутреннего элемента, обладающего той же естественной частотой, что и внешняя часть оправки. Элемент предназначен для колебания с резонансной частотой в противофазе с нежелательной вибрацией, поглощения энергии вибрации и минимизации нежелательного перемещения.

В системе Steadyline® вибропоглощающий элемент расположен в передней части оправки — на участке с наибольшей вероятностью изгиба. Элемент может мгновенно погасить вибрацию, которая распространяется от режущей кромки к корпусу оправки. Система Steadyline® также включает короткие компактные режущие головки Seco GL, позволяющие расположить режущую кромку близко к демпфирующему элементу для максимального поглощения вибрации. Система подходит для различных операций и особенно полезна при черновой и чистовой расточке, обработке контуров, пазов и карманов.

Компания Seco Tools расширила диапазон решений для точения и растачивания с длинным вылетом, добавив в ассортимент виброгасящие токарные/расточные оправки и режущие головки серии Steadyline®. Новая продукция включает оправки Steadyline® диаметром 25 мм и 100 мм, токарные головки GL25 и расточные головки BA диаметром до 115 мм для черновой и чистовой обработки. Головки расточного и токарного инструмента можно быстро заменять с помощью соединения GL, которое обеспечивает точность центрирования и повторяемость 5 мкм, а также возможность ориентации головки180°.

Оправки диаметром 25 мм с соединением GL25 со стороны заготовки представляют собой оправки с твердосплавным армированием для задач, связанных с максимальным вылетом инструмента до 250 мм. Оправки доступны с соединением на стороне станка Seco-Capto™, HSKT/ A и цилиндрическим хвостовиком. Оправки увеличенного диаметра 100 мм совместимы с существующими токарными головками GL50 и оснащены технологией Jetstream Tooling® для подачи СОЖ под высоким давлением через переходники BA-GL50.

Там, где стандартный инструмент выходит из строя, Steadyline® обеспечивает точность и надежность при операциях с длинным вылетом, снижает нагрузку на шпиндель, повышает скорость съема металла, обеспечивает качественную обработку поверхности и увеличивает срок службы инструмента.