Wykończenie powierzchni w operacjach toczenia CNC
1. Osiągalna typowa chropowatość powierzchni
Toczenie CNC zapewnia szeroką gamę wykończeń powierzchni w zależności od oprzyrządowania, parametrów i materiału. Toczenie zgrubne w celu usuwania naddatku zwykle pozwala uzyskać chropowatość powierzchni w zakresie od 1,6 do 6,3 mikrometra Ra, pozostawiając widoczne ślady posuwu i wymagając późniejszej obróbki wykończeniowej w zastosowaniach precyzyjnych. Ogólne toczenie precyzyjne przy użyciu standardowych płytek i konwencjonalnych parametrów daje Ra o wartości od 0,8 do 1,6 mikrometra, co jest odpowiednie dla większości zespołów mechanicznych i pasowań nie-krytycznych. Toczenie precyzyjne przy użyciu polerowanych płytek, zoptymalizowanej geometrii i sztywnych konfiguracji osiąga Ra od 0,4 do 0,8 mikrometra, odpowiednie dla gniazd łożysk i powierzchni uszczelniających. Podczas toczenia-z wysoką precyzją przy użyciu-płytek diamentowych lub starannie przygotowanych narzędzi z węglików spiekanych, przy minimalnych posuwach i stabilnych warunkach można uzyskać Ra o wartości od 0,2 do 0,4 mikrometra. Ultra-precyzyjne toczenie z użyciem narzędzi z pojedynczego-diamentu kryształowego na-materiałach nieżelaznych pozwala uzyskać powierzchnie-o jakości optycznej poniżej 0,1 mikrometra Ra, przy wyjątkowych konfiguracjach sięgających 0,01 mikrometra lub więcej.
2. Teoretyczna podstawa chropowatości powierzchni
Teoretyczna chropowatość od szczytu do-doliny podczas toczenia wynika przede wszystkim z geometrycznej interakcji między promieniem ostrza narzędzia a prędkością posuwu. Podstawowa zależność wyraża teoretyczną wysokość chropowatości jako w przybliżeniu kwadrat posuwu podzielony przez ośmiokrotność promienia naroża. Oznacza to, że podwojenie szybkości posuwu czterokrotnie zwiększa teoretyczną chropowatość, podczas gdy podwojenie promienia naroża zmniejsza ją o połowę. W praktyce rzeczywista chropowatość przekracza wartości teoretyczne z powodu-narostu na krawędzi, wibracji narzędzia, bocznego przepływu materiału i dynamiki maszyny. Model teoretyczny stanowi punkt odniesienia dla doboru parametrów, ale wymaga weryfikacji empirycznej dla powierzchni krytycznych.
3. Wpływ kluczowych parametrów na wykończenie powierzchni
Dominującym parametrem wpływającym na teksturę powierzchni toczonej jest posuw. Zmniejszenie szybkości posuwu z 0,3 do 0,1 milimetra na obrót zazwyczaj poprawia chropowatość powierzchni trzy do pięciu razy. Jednakże zbyt małe posuwy powodują raczej tarcie niż cięcie, wytwarzanie ciepła i-utwardzanie przez zgniot bez poprawy wykończenia. Praktyczne posuwy minimalne zależą od ostrości narzędzia i materiału i zazwyczaj nie spadają poniżej 0,02 milimetra na obrót w przypadku narzędzi węglikowych.
Prędkość skrawania wpływa na wykończenie powierzchni poprzez wpływ na powstawanie-narostów na krawędziach. Przy niskich prędkościach materiał przedmiotu obrabianego przylega do końcówki narzędzia, tworząc nieregularne osady, które rozdzierają powierzchnię i powodują szorstkie wykończenie. Wraz ze wzrostem prędkości-narosty zmniejszają się, a wykończenie poprawia się, aż do osiągnięcia optymalnego zakresu. W przypadku stopów aluminium ten optymalny zakres zazwyczaj obejmuje 300 do 800 metrów na minutę, podczas gdy w przypadku stali wymagane jest 150 do 400 metrów na minutę, w zależności od zawartości stopu. Nadmierne prędkości powodują nadmierne ciepło, przyspieszające zużycie narzędzia i ostatecznie pogarszające jakość wykończenia.
Głębokość skrawania wpływa na wykończenie poprzez wpływ na siły skrawania i ugięcie systemu. Głębokości zgrubne od 2 do 5 milimetrów przedkładają usuwanie materiału nad jakość powierzchni. Głębokość obróbki wykańczającej powinna być zminimalizowana do 0,1 do 0,5 milimetra, aby zmniejszyć promieniowe siły skrawania, które odchylają smukłe przedmioty obrabiane lub elastyczne systemy narzędzi. Bardzo lekkie warstwy wykańczające o grubości poniżej 0,05 milimetra mogą osadzać się na-utwardzonej przez obróbkę warstwie z poprzednich przejść, zamiast tworzyć świeżą powierzchnię, co daje słabe rezultaty.
4. Geometria narzędzia i dobór materiału
Promień naroża bezpośrednio określa teoretyczną chropowatość i wytrzymałość narzędzia. Małe promienie od 0,4 do 0,8 milimetra zapewniają teoretycznie lepszą jakość wykończenia, ale osłabiają wierzchołek narzędzia i zwiększają ryzyko odprysków. Duże promienie od 1,2 do 2,4 milimetra rozkładają siły skrawania na dłuższych łukach, poprawiając wykończenie i trwałość narzędzia, ale wymagając większej mocy i sztywności maszyny. Wybór ten równoważy wymagania dotyczące wykończenia z kontrolą wiórów i trwałością narzędzia.
Kąt natarcia wpływa na siły skrawania i spływ wiórów. Dodatni kąt natarcia od 5 do 15 stopni zmniejsza siły skrawania i poprawia wykończenie powierzchni materiałów plastycznych, takich jak aluminium i miedź. Ujemne kąty natarcia zwiększają wytrzymałość krawędzi w przypadku twardych materiałów, ale generują większe siły i bardziej chropowate powierzchnie. Neutralne lub nieznacznie dodatnie nachylenie jest odpowiednie do ogólnego-toczenia stali.
Wybór materiału narzędzia wpływa na osiągalne wykończenie i konsystencję. Niepowlekany węglik o ostrych krawędziach zapewnia doskonałe wykończenie aluminium i-materiałów nieżelaznych. Węgliki powlekane azotkiem tytanu i glinu lub podobnymi powłokami wydłużają żywotność narzędzi w stalach i stopach nierdzewnych, ale mogą nieznacznie pogarszać ostrość krawędzi. Płytki ceramiczne radzą sobie z toczeniem na twardo-z dużą prędkością, ale rzadko pozwalają uzyskać dokładne wykończenie poniżej 0,4 mikrometra Ra. Narzędzia z regularnego azotku boru umożliwiają toczenie na twardo stali hartowanych z wykończeniem zbliżonym do jakości szlifowania. Narzędzia z diamentu polikrystalicznego dają lustrzane wykończenie aluminium, miedzi i kompozytów, ale nie nadają się do materiałów żelaznych ze względu na zużycie chemiczne.
Utrzymanie stanu narzędzia ma kluczowe znaczenie dla spójnego wykończenia. W zużytych narzędziach powstają powiększone promienie naroża, nieregularne profile krawędzi i- tendencje do narostu na krawędziach, które stopniowo pogarszają jakość powierzchni. Regularne kontrole i planowana wymiana w oparciu o skumulowany czas skrawania lub monitorowane zużycie powierzchni przyłożenia pozwalają zachować zdolność wykończenia.
5. Rozważania dotyczące materiału przedmiotu obrabianego
Właściwości materiału wyznaczają podstawowe granice wykończenia operacji toczenia. Stale-na automatową z dodatkiem siarki lub wtrąceń ołowiu łatwo łamią wióry i obrabiają do Ra o grubości od 0,8 do 1,6 mikrometra przy standardowych parametrach. Austenityczne stale nierdzewne-szybko twardnieją i wymagają ostrych,-narzędzi do natarcia o stałych parametrach, aby zapobiec rozdarciu powierzchni; wykończenia poniżej 1,6 mikrometra Ra wymagają starannej optymalizacji. Stopy aluminium obrabiają się wyjątkowo dobrze, a gatunki takie jak 6061 i 7075 poddane obróbce plastycznej rutynowo osiągają Ra od 0,4 do 0,8 mikrometra i są w stanie uzyskać grubość 0,2 mikrometra przy doskonałych parametrach. Odlewane stopy aluminium z zawartością krzemu wykazują właściwości ścierne, które przyspieszają zużycie narzędzi i ograniczają obróbkę wykańczającą. Stopy tytanu generują wysokie temperatury skrawania i wymagają niskich prędkości przy sztywnych konfiguracjach; wykończenia poniżej 0,8 mikrometra Ra stanowią wyzwanie dla toczenia konwencjonalnego. Miedź i mosiądz zapewniają doskonałą obrabialność, a przy użyciu narzędzi diamentowych można uzyskać-lustrzane wykończenie.
6. Stan i stabilność maszyny
W celu zapewnienia precyzyjnego wykończenia bicie wrzeciona musi być kontrolowane poniżej 2 mikrometrów, ponieważ każdy mimośród przekłada się bezpośrednio na zmianę profilu powierzchni. Stan łożyska, napięcie paska i wyważenie wrzeciona wpływają na możliwe wykończenie. Sztywność maszyny, w tym sztywność łoża, ustawienie prowadnic i podparcie konika, zapobiegają powstawaniu drgań-powodowanych drganiami, które pogarszają jakość powierzchni. Stabilność termiczna dzięki kontrolowanej temperaturze otoczenia i chłodzeniu wrzeciona utrzymuje spójność wymiarową podczas długich przejść wykańczających.
7. Strategie dotyczące chłodziwa i smarowania
Zastosowanie chłodziwa zalewowego w kontrolowanej temperaturze usuwa wióry, rozprasza ciepło i zapobiega-nawarstwianiu się krawędzi. W przypadku aluminium i miedzi temperatura płynu chłodzącego powinna odpowiadać warunkom otoczenia, aby uniknąć odkształcenia wywołanego szokiem termicznym. Chłodziwo pod wysokim-ciśnieniem dostarczane przez narzędzie poprawia łamanie wiórów i odprowadzanie wiórów w operacjach głębokich otworów i rowków. Systemy smarowania minimalną ilością zmniejszają zużycie chłodziwa, zapewniając jednocześnie wystarczające smarowanie do toczenia wykańczającego stali. W niektórych zastosowaniach toczenie na sucho z odprowadzaniem wiórów za pomocą sprężonego powietrza zapobiega gradientom termicznym związanym z płynnym chłodziwem, chociaż zwiększa to szybkość zużycia narzędzia.
8. Techniki procesowe zapewniające lepsze wykończenie
Przejścia-iskrowania polegają na wykonaniu ostatniego przejścia przy zerowym lub minimalnym posuwie w celu wypolerowania powierzchni bez aktywnego skrawania, co zmniejsza resztkowe ślady po posuwie o 20 do 40 procent. Ta technika wymaga sztywnych ustawień, aby zapobiec wibracjom wywołanym tarciem. Toczenie polerskie wykorzystuje specjalnie przygotowane narzędzia o dużych promieniach i dużych dodatnich kątach natarcia przy bardzo małych posuwach, aby uzyskać wypolerowane powierzchnie o wartości Ra zbliżonej do 0,1 mikrometra. Toczenie na twardo przy użyciu narzędzi z sześciennego azotku boru na hartowanych stalach o twardości powyżej 50 HRC pozwala uzyskać wykończenie od 0,4 do 0,8 mikrometra Ra, potencjalnie eliminując operacje szlifowania. Toczenie wibracyjne z wykorzystaniem ultradźwiękowych-lub oscylacji narzędzia o niskiej częstotliwości modyfikuje powstawanie wiórów i może poprawić integralność powierzchni w trudnych materiałach.
9. Pomiary i kontrola jakości
Pomiar wykończenia powierzchni podczas toczenia zazwyczaj wykorzystuje profilometry z trzpieniem kontaktowym śledzące prostopadle do znaków posuwu. Miejsce pomiaru powinno unikać stref przejściowych, znaków wejścia narzędzia i obszarów drgań. W przypadku powierzchni toczonych z wyraźną teksturą kierunkową kierunek pomiaru znacząco wpływa na odczyty; pomiar prostopadły rejestruje pełny profil znaku posuwu, podczas gdy pomiar równoległy może niedoszacować chropowatość. Statystyczna kontrola procesu, śledzenie wykończenia powierzchni w poszczególnych partiach produkcyjnych, pozwala zidentyfikować trendy zużycia narzędzi i odchylenia parametrów, zanim wystąpią części-nie-specyfikowane.
10. Rozwiązywanie typowych wad wykończenia
Znaki posuwu grubsze od przewidywań teoretycznych wskazują na nadmierny posuw, niewystarczający promień naroża lub ugięcie narzędzia pod wpływem sił skrawania. Narost-na krawędzi objawia się rozdarciem, nieregularną fakturą powierzchni z osadami materiału; zwiększenie prędkości skrawania lub lepsze dostarczanie chłodziwa zazwyczaj rozwiązuje ten problem. Drgania powodują regularne falowanie prostopadłe do kierunku posuwu, co wymaga zwiększonej sztywności systemu, dostosowanej prędkości w celu uniknięcia częstotliwości rezonansowych lub zmniejszonej głębokości skrawania. Zbieżność lub różnice wymiarowe na długości sugerują ugięcie przedmiotu obrabianego na skutek nadmiernych sił skrawania lub niewystarczającego podparcia konika. Pękanie powierzchni materiałów ciągliwych wynika z ujemnego kąta natarcia, stępienia narzędzi lub niewystarczającej prędkości skrawania.
Wniosek
Toczenie CNC oferuje możliwości wykończenia powierzchni od obróbki zgrubnej przy 6,3 mikrometra Ra do ultra-precyzyjnych powierzchni lustrzanych poniżej 0,1 mikrometra Ra. Osiągalna jakość wykończenia zależy od zintegrowanej optymalizacji szybkości posuwu, prędkości skrawania, głębokości skrawania, geometrii i materiału narzędzia, charakterystyki przedmiotu obrabianego, stanu maszyny i strategii podawania chłodziwa. Zrozumienie podstaw teoretycznych i praktycznych interakcji między tymi zmiennymi umożliwia inżynierom procesu wybór odpowiednich kombinacji parametrów, które spełniają wymagania funkcjonalne przy jednoczesnym zachowaniu produktywności ekonomicznej. W przypadku zastosowań precyzyjnych inwestycja w-wysokiej jakości narzędzia, sztywne konfiguracje i kontrolowane środowiska stale zapewnia doskonałą integralność powierzchni w porównaniu z agresywnymi parametrami przy użyciu marginalnego oprzyrządowania.
