Premagajte trenutne izzive strojne obdelave z dolgim izpetjem
24.06.2019
Številni trenutni trendi v proizvodnji otežujejo izdelavo natančnih izvrtin in izvedbo operacij struženja z orodji s povečano dolžino. Potreba po manjših dovoljenih odstopanjih in zanesljivi ponovljivosti je vse večja. Nove vrhunske materiale obdelovancev je težje strojno obdelati, poleg tega pa povečujejo obremenitev sistema strojne obdelave. Proizvajalci želijo prihraniti čas in denar tako, da združijo več delov v en monolitni obdelovanec, pri čemer je treba izvrtati globoke izvrtine in stružiti zapletene komponente v večopravilnih rezalnih strojih.
Proizvajalci, ki želijo premostiti te izzive, morajo proučiti vse elemente svojih sistemov strojne obdelave ter uporabiti tehnike in orodja, ki zagotovijo uspeh. Med ključnimi elementi so stabilnost stroja, držanje orodja, vpenjanje obdelovanca in geometrija rezalnega orodja. Načeloma so stabilno vpenjanje, togo orodje in preudarna uporaba orodij osnovna podlaga za natančne in produktivne postopke izstruževanja in struženja z dolgim izpetjem. Proizvajalci komponent za črpanje nafte in plina, proizvodnjo električne energije in letalsko industrijo so najprimernejši kandidati za uporabo posodobljenih orodij in tehnik, saj se redno ukvarjajo z velikimi, kompleksnimi deli z lastnostmi, ki zahtevajo uporabo povečanih dolžin orodij. Številni deli so iz težkih zlitin, ki jih je težko strojno obdelati, zato pri tem nastanejo velike rezalne sile, ki povzročajo vibracije. Načeloma lahko skoraj vsak proizvajalec izboljša produktivnost in zniža stroške pri operacijah izstruževanja z dolgim izpetjem.
Odklon in vibracije
Globoko izstruževanje se razlikuje od drugih operacij struženja po tem, da rezalni rob deluje v izvrtini pri večji oddaljenosti od točke povezave s strojem. Pri operacijah notranjega struženja z dolgim izpetjem so razmere podobne, obe vrsti operacij pa lahko vključujeta izvrtine z rezi s prekinitvami, kot je na primer pri obdelovancih, kot so ohišja črpalk ali kompresorjev. Dolžina izpetja orodja je določena z globino izvrtine, vpliva pa na odklon izstruževalnega droga ali stružnega orodja s povečano dolžino. Odklon poveča spremenljive sile v postopku rezanja ter lahko povzroči vibracije in tresljaje orodja, ki poslabšajo kakovost površine delov, hitro obrabijo ali zlomijo rezalna orodja in poškodujejo komponente rezalnih strojev, kot so vretena, zaradi njih pa so potrebna draga popravila in dolga obdobja izpada delovanja. Spremenljive sile izhajajo iz neuravnoteženosti komponent stroja, pomanjkanja togosti sistema ali resonančnih vibracij elementov sistema strojne obdelave. Rezalne sile se spreminjajo tudi, ko se orodje izmenično obremenjuje in razbremenjuje ob nastajanju in lomljenju odrezkov. Negativni učinki vibracij pri strojni obdelavi vključujejo hrapavost površine, nenatančne mere izvrtin, hitro obrabo orodja, manjšo stopnjo odvzemanja materiala, višje stroške proizvodnje ter poškodbe držal orodja in rezalnih strojev.
Togost orodja in vpenjanje obdelovanca
Osnovni pristop k nadziranju vibracij pri operacijah strojne obdelave vključuje povečanje togosti elementov sistema strojne obdelave. Za omejitev neželenega premikanja mora biti rezalni stroj sestavljen iz togih, težkih elementov, ki so ojačani z betonom ali drugim materialom, ki absorbira vibracije. Ležaji in puše stroja se morajo tesno in trdno prilegati. Natančno je treba določiti položaj obdelovancev v rezalnem stroju in ga ohraniti. Priprave morajo biti predvsem enostavne in toge, vpenjala pa morajo biti nameščena kar se da blizu operacij rezanja. Kar zadeva obdelovance, se vibracije pogosto pojavijo med strojno obdelavo tankostenskih ali varjenih delov ter delov z nepodprtimi odseki. Dele je mogoče zasnovati na novo, da se izboljša togost, vendar lahko takšne spremembe zasnove povečajo težo in ogrozijo učinkovitost strojno obdelanega izdelka.
Držala orodja
Za kar se da veliko togost mora biti izstruževalni ali stružni drog čim krajši, hkrati pa dovolj dolg za obdelavo celotne dolžine izvrtine ali komponente. Izbrati je treba največji možni premer izstruževalnega droga, ki se prilega izvrtini in še vedno omogoča učinkovito odvajanje odrezkov. Med nastajanjem in lomljenjem odrezkov se rezalne sile povečujejo in zmanjšujejo. Spreminjanje sil je dodaten vir vibracij, ki lahko skupaj z lastnimi vibracijami držala orodja ali stroja povzročijo resonanco ter se vzajemno vzdržujejo ali celo povečajo. Med drugimi viri takšnih vibracij so tudi obrabljena orodja ali orodja, ki ne sežejo dovolj globoko. Tudi ta orodja povzročajo nestabilnost postopka ali resonanco, ki se sinhronizira z lastno frekvenco vretena stroja ali orodja in ustvarja neželene vibracije. Dolgo izpetje izstruževalnih ali stružnih drogovov lahko povzroči vibracije v sistemu strojne obdelave. Osnovni pristop k odpravljanju vibracij vključuje uporabo kratkih, togih orodij. Pri večjem razmerju med dolžino in premerom droga obstaja večja možnost nastanka vibracij. Pri različnih materialih drogov nastajajo različne vibracije. Jekleni drogovi so načeloma odporni proti vibracijam do razmerja med dolžino in premerom droga 4 : 1. Drogovi iz težkih kovin, kot so volframove zlitine, so gostejši od jeklenih ter so primerni tudi za razmerja med dolžino in premerom droga 6 : 1. Drogovi iz karbidne trdine so še bolj togi ter omogočajo razmerje med dolžino in premerom droga 8 : 1, vendar pa so lahko stroški zanje višje, zlasti, če je potreben drog z velikim premerom.
Drug način blaženja vibracij vključuje nastavljiv drog. Drog ima notranjo dušilno maso, ki resonira zunaj faze z neželenimi vibracijami, absorbira njihovo energijo in zmanjša vibracijsko gibanje. Sistem Steadyline® podjetja Seco Tools (glejte stransko vrstico) ima na primer predhodno uravnoteženo dušilko vibracij, ki jo sestavlja dušilna masa iz materiala z visoko gostoto. Dušilna masa je z radialnimi elementi, ki absorbirajo vibracije, nameščena v drogu držala orodja. Vibracije absorbira takoj, ko jo rezalno orodje prenese na telo droga. Zapletenejše in dražje odpravljanje vibracij orodij lahko vključuje elektronsko aktivirane naprave, ki zaznajo prisotnost vibracij in z elektronskimi sprožilniki ustvarijo sekundarno gibanje v držalu orodja, ki izniči neželeno gibanje.
Material obdelovanca
Rezalne karakteristike materiala obdelovanca lahko prispevajo k ustvarjanju vibracij. Trdota materiala, nabiranje oblog ali kaljenje in prisotnost trdih vključkov spremenijo ali prekinejo rezalne sile in lahko ustvarijo vibracije. Pri strojni obdelavi določenih materialov je s prilagoditvijo rezalnih parametrov mogoče do določene mere zmanjšati vibracije.
Geometrija rezalnega orodja
Rezalno orodje je izpostavljeno tangencialnemu in radialnemu odklonu. Radialni odklon vpliva na natančnost premera izvrtine. Pri tangencialnem odklonu je ploščica potisnjena navzdol, stran od središčnice dela. Ukrivljen notranji premer izvrtine zmanjša prosti kot med ploščico in izvrtino, zlasti pri izstruževanju izvrtin z majhnim premerom. Pri tangencialnem odklonu je orodje potisnjeno navzdol in stran od središčnice komponente, ki se strojno obdeluje, pri čemer se zmanjša prosti kot. Pri radialnem odklonu se zmanjša globina rezanja, kar vpliva na natančnost strojne obdelave in spremeni debelino odrezka. Zaradi sprememb globine rezanja se spremenijo rezalne sile, kar lahko privede do vibracij.
Značilnosti geometrije ploščice, vključno s cepilnim kotom, nastavnim kotom in radijem rezalnega roba, lahko okrepijo ali ublažijo vibracije. Pri ploščicah s pozitivnim cepilnim kotom na primer nastanejo manjše tangencialne rezalne sile. Konfiguracija s pozitivnim cepilnim kotom lahko po drugi strani zmanjša razmik, kar lahko privede do drgnjenja in vibracij. Pri velikem cepilnem kotu in majhnem kotu roba nastane oster rezalni rob, ki zmanjša rezalne sile. Vendar je oster rob lahko izpostavljen udarnim poškodbam ali neenakomerni obrabi, kar vpliva na hrapavost površine izvrtine. Pri majhnem nastavnem kotu rezalnega roba nastanejo velike aksialne rezalne sile, pri velikem nastavnem kotu pa nastanejo sile v radialni smeri. Vpliv aksialnih sil na operacije izstruževanja je majhen, zato je lahko zaželen majhen nastavni kot. Vendar so pri majhnem nastavnem kotu rezalne sile zbrane na manjšem odseku rezalnega roba kot pri velikem nastavnem kotu, kar lahko negativno vpliva na obstojnost orodja. Poleg tega nastavni kot orodja vpliva na debelino odrezkov in smer toka odrezkov. Radij rezalnega roba ploščice mora biti manjši od globine rezanja, saj so tako radialne rezalne sile manjše.
Odvajanje odrezkov
Pri operacijah izstruževanja je odvajanje odrezkov iz izvrtine izjemno pomembno. Na odvajanje odrezkov vplivajo geometrija ploščice, hitrosti rezanja in rezalne karakteristike materiala obdelovanca. Pri izstruževanju so zaželeni kratki odrezki, saj jih je mogoče lažje odvajati iz izvrtine, poleg tega pa zmanjšajo sile na rezalni rob. Vendar zelo zaobljene geometrije ploščic, ki so zasnovane za lomljenje odrezkov, povečajo porabo energije in lahko povzročijo vibracije. Pri operacijah, ki so namenjene izdelavi primerne hrapavosti površine, je lahko potrebna majhna globina reza, pri kateri nastanejo tanjši odrezki, ki jih je težje odvajati. Če se poveča hitrosti pomika, se lahko odrezki lomijo, vendar so lahko rezalne sile večje in lahko se pojavijo tresljaji, kar lahko negativno vpliva na hrapavost površine. Pri višjih hitrostih pomika se lahko pri strojni obdelavi ogljikovega jekla tudi nabirajo obloge, zato je lahko pri izstruževanju teh tempranih jeklenih zlitin za odvajanje odrezkov primerna uporaba višjih hitrosti pomika skupaj z optimalnim notranjim dovajanjem hladilnega sredstva.
Zaključek
Izstruževanje in struženje globokih izvrtin z orodji s povečano dolžino spadata med običajne in nujne operacije rezanja kovine. Za učinkovito izvedbo teh operacij je treba sisteme strojne obdelave obravnavati kot celoto, saj se tako zagotovi, da se s skupnim delovanjem različnih dejavnikov, ki prispevajo k zmanjšanju vibracij in zagotavljanju kakovosti izdelkov, dosežeta največja možna produktivnost in donosnost.