Úvod
Setkali jste se někdy s touto situací: Program běží hladce, dráha nástroje je správná a měření provedená na obráběcím stroji splňují specifikace. Jakmile je však díl vyjmut ze stroje, jeden roh se zkroutí a střední část se ohne. Obrobek musí být nakonec vyřazen.
Tato příručka analyzuje základní příčiny: které tvary jsou nejnáchylnější, které materiály s největší pravděpodobností způsobí problémy a, co je nejdůležitější, která řešení jsou skutečně účinná v reálném provozu ve výrobních závodech.
5 základních příčin deformace v CNC obrábění
Proč se CNC díly deformují? Pět důvodů. Pojďme si je projít.
1. Zbytková napětí z výroby materiálů
Základní materiál má skryté zátěže. Válcování, kování, protlačování – tyto procesy uzamykají vnitřní napětí v kovu nebo plastu. Síly se uvnitř bloku vzájemně vyrovnávají. Díl tak sedí rovně.
Když začne CNC obrábění a materiál se odebere, tato rovnováha se naruší. Uvolní se zbytková napětí. Součást se začne pohybovat. Bude se deformovat a ohýbat.
CNC obrábění funguje jako proces uvolnění pnutí. Součást jednoduše reaguje na to, co tam již bylo.
2. Tepelně indukovaná roztažnost (tepelné efekty)
Řezání generuje teplo. Toto teplo je rozloženo nerovnoměrně a je obtížné ho předvídat.
Nástroj tře. Tříska odvádí teplo – nebo neodvádí.
Různé části součásti se zahřívají různou rychlostí. Materiály se při vysokých teplotách roztahují, zatímco materiály při nízkých teplotách ne. Tento rozdíl v roztahování vytváří vnitřní pnutí.
Situace je ještě horší u tenkostěnných profilů. Tyto oblasti obsahují méně materiálu a nejsou schopny efektivně absorbovat a odvádět teplo. V důsledku toho se rychleji zahřívají, dramatičtěji roztahují a dochází k větší deformaci.
3. Upínací/upínací síly obrobku
Díl byl umístěn naplocho do svěráku a bezpečně upnut. Během CNC obrábění vypadalo vše normálně.
Po dokončení obrábění byly svorky uvolněny. Obrobek se vrátil do svého přirozeného tvaru. V tomto bodě již nebyl tvar plochý.
Jedná se o elastickou deformaci. Během řezání způsobuje upínací síla ohýbání obrobku. CNC stroj tento ohnutý tvar zpracovává. Po uvolnění upínací síly se obrobek vrátí do původního nerovného stavu. Klasickým příkladem je nadměrné sevření tenkého kroužku. Po vyjmutí ze stroje je kruhový, ale okamžitě se odpruží zpět do eliptického tvaru.
4. Nízká tuhost obrobku
Některé díly jsou prostě volné. Dlouhé tenké stěny. Velké ploché podlahy bez opory. Řezný nástroj tlačí dolů. Materiál tlačí zpět, ale ne dostatečně silně. Prohýbá se.
Nástroj vyřízne tento deformovaný tvar. Poté se nástroj dále pohybuje. Materiál se odpruží a vrátí se na své místo. V tomto bodě již spodní povrch není plochý a boční stěny již nejsou rovné.
Klíč spočívá v tomto poměru: tuhost dělená řeznou silou. Pokud je tato hodnota nízká, je deformace při CNC obrábění téměř nevyhnutelná.
5. Nesprávná dráha nástroje a strategie řezání
Nesprávné programování může způsobit deformaci obrobku; koneckonců CNC stroj není člověk – jednoduše se řídí pokyny.
Nadměrná hloubka řezu zvyšuje řezné síly. Souběžné versus souběžné frézování – nesprávná volba může zvýšit namáhání. Nedostatek vyrovnávacích břitů znamená, že obrobek nemá šanci se stabilizovat. Hrubě obrobený povrch je nerovný. Dokončování odebírá materiál pouze z jedné strany. Nerovnováha napětí je okamžitě patrná.
Těchto pět příčin nepůsobí izolovaně, ale vzájemně se kombinuje. Když je namáhaný materiál obráběn za vysokých teplot, příliš pevně upnut a samotný obrobek je náchylný k deformaci – to vše se zhoršuje špatným plánováním dráhy? Takový obrobek je odsouzen k selhání. Proto
8 tvarů, které jsou náchylné k deformaci
Některé tvary jsou při CNC obrábění obzvláště náchylné k deformaci. Konstruktéři by se proto těmto tvarům měli od začátku vyhýbat.
| Shape | Primární režim selhání | Quick Fix |
| Tenké stěny a žebra | Prohýbání, vibrační stopy | Podpěrné výstupky, snížený radiální záběr |
| Tenké podlahy a kapesní dna | Baňkování, pružinové vyklenutí | Nechte zásoby, dokončete postupně |
| Dlouhé štíhlé díly (vysoký poměr L/D) | Kroucení, tvar banánu | Otočte část, cykly odlehčení pnutí |
| Velké ploché tenké desky | Klenba, zvedání okrajů | Vakuový upínač, pouze sousledné frézování |
| Asymetrické díly ve tvaru C nebo U | Roztahování nebo zavírání nohou | Upnout po hrubování, zbytkové průchody |
| Tenké příruby a přesahy | Pokles, štěbetání | Podepření s měkkými čelistmi, snížení vyčnívání |
| Tenkostěnné trubky a válce | Oválné, zužující se stěny | Podpěra trnu, vyvážené řezy |
| Díly s hlubokými kapsami | Deformace podlahy, naklonění stěny | Šroubovité rampování, dokončování zbytků |
Nyní se podívejme na každý tvar podrobněji. Pochopení toho, které CNC tvary jsou náchylné k deformaci, pomůže odhalit problémy před zahájením programování.
Tenké stěny a žebra
Takové struktury jsou běžné v leteckých krytech a elektronických rozvaděčích – vysoké stěny s relativně tenkými stěnami. Řezné síly je tlačí do stran, což způsobuje vibrace a ohýbání.
Tenké podlahy a kapesní dna
Když nástroj řeže drážku, základna ve spodní části je tenká a nemá pod sebou žádnou jinou oporu než vzduch. Řezné síly působí směrem dolů a způsobují, že se základna ohýbá. Po průchodu nástrojem se základna odpruží a vrátí se do původní polohy. Výsledkem je, že základna již není rovná.
Dlouhé štíhlé díly (vysoký poměr L/D)
Představte si dlouhou hřídel nebo štíhlý nosník. Během obrábění se součást ohýbá pod vlastní vahou. Vychyluje se od nástroje. Úběr materiálu je menší uprostřed než na koncích. Hotový díl nakonec vypadá jako banán.
Velké ploché tenké desky
Velký, plochý plech se může zdát jednoduchý, ale není. Zbytkové napětí v surovém plechu nebo polotovaru se uvolňuje nerovnoměrně. Okraje se mohou zvlnit, střed se může vyboulit a nakonec se může zdeformovat celý obrobek.
Asymetrické díly ve tvaru C nebo U
Tyto tvary jsou na jedné straně otevřené. Dvě „nohy“ nejsou na otevřeném konci spojeny. Upínací síla tlačí dvě „nohy“ dovnitř, aby se řez dokončil. Po uvolnění upínací síly se nohy odpruží zpět a změní se rozměry otvoru.
Tenké příruby a přesahy
Tento prvek vyčnívá ven a je podepřen pouze na jedné straně. Řezné síly vyvíjejí tlak směrem dolů na volný konec, což způsobuje prohýbání příruby, což má za následek chvění a extrémně špatnou kvalitu povrchu.
Tenkostěnné trubky a válce
Tenkostěnné kruhové díly klamou. Po opracování vnějšího povrchu se uvolní napětí, které způsobí natažení a deformaci kruhu do elipsy, nebo se v důsledku ohýbání dílu směrem od nástroje tloušťka stěny stává nerovnoměrnou.
Díly s hlubokými kapsami
Hluboké dutiny vedou k dlouhému vyložení nástroje. I když se hrot nástroje může ohýbat, skutečný problém spočívá ve zbývajících spodních a bočních plochách. Nerovnoměrné řezání způsobuje nevyváženost, která vede k deformaci spodní plochy a naklánění bočních stěn.
Včasné rozpoznání těchto tvarů je první obranou proti deformaci při CNC obrábění. Každý z nich vyžaduje jinou strategii. Rychlá řešení v tabulce začnou.
Materiály, které vyžadují zvláštní pozornost
Některé jsou stabilní. Některé ne. Vědět, které materiály se při CNC obrábění deformují, ušetří spoustu zmetku.
Hliník (6061-T6, 7075-T6) – valivé napětí
Proces válcování vytváří v hliníku vnitřní pnutí. Jak je hliníkový plech stlačován mezi válci, povrch je vystaven tahovému napětí, zatímco jádro zůstává pod tlakovým napětím. V tomto bodě je obrobek plochý. Následně obrábění odstraňuje materiál z jedné strany obrobku. Vyvážení se poruší. Díl se okamžitě zdeformuje.
Plechy z nerezové oceli (304, 316) – Zpevnění
Tento materiál při řezání tvrdne. Povrchová vrstva tuhne. Jádro ne. Tato rozdílná tvrdost vytváří rozdílné napětí. Tenké díly z nerezové oceli jsou známé tím, že se od stroje kroutí.
Titan (stupeň 5) – nízká tuhost + zpětné odpružení
Titan má nízký modul pružnosti. To je elegantní způsob, jak říct, že se snadno ohýbá a prudce se vrací zpět. Řezný tlak způsobí deformaci dílu. Nástroj vyřeže deformovaný tvar. Poté se díl pružící vrátí do nového, nesprávného tvaru. CNC obrábění titanu je každodenní boj.
Kalené nástrojové oceli – fázová změna vyvolaná teplem
Teplo z řezání může změnit mikrostrukturu. Povrch se transformuje. Objem se mírně mění. Tato malá změna vytváří velké napětí. Součást se táhne. Kroutí se. Kalená ocel tento problém nepředstavuje. Po dokončení se projeví pouze jako deformovaný blok.
Mosaz a automatová měď – napětí v protlačování
Tyto materiály se často extrudují. Proces extruze zablokuje směr vláken a vnitřní napětí. Obrábění toto napětí nerovnoměrně rozbíjí. Součást se pohybuje. Někdy se pohybuje hodně.
Plasty (nylon, acetal, UHMW) – Teplo a tečení
Plasty jsou horší než kovy. Špatně vedou teplo. Řezná zóna se zahřívá. Okolní materiál zůstává chladný. Tento teplotní rozdíl vytváří napětí. Díl se pak časem deformuje. Leží na kontrolním stole. Měří dobře. O hodinu později je zdeformovaný. Proto se CNC díly v plastu deformují častěji, než operátoři očekávají.
Kompozity z uhlíkových vláken – anizotropní napětí
Vlákna směřují jedním směrem. Matrice je drží. Napětí v součásti není ve všech směrech stejné. Obrábění prořezává vlákna. Zbývající struktura reorganizuje své napětí. Tenké kompozitní součásti se kroutí nepředvídatelným způsobem.
Hořčíkové odlitky – Nerovnoměrné chladicí napětí
Odlitek chladne. Vnější část tuhne jako první. Vnitřek tuhne jako poslední. Jádro se přitahuje k potahu. Toto uzamčené napětí čeká na obrábění. Odeberte dostatek materiálu a vyvážení se nakloní. Odlitek se zdeformuje.
Nestabilní obrobek vyžaduje odlehčení pnutí, různé dráhy nástroje nebo obojí. Pokud ignorujete vlastnosti materiálu, deformace při CNC obrábění se stane nevyhnutelnou.
Jak zabránit deformaci – praktické strategie
Oprava deformovaných dílů je nejen problematická, ale také nákladná. Podniknutí kroků k prevenci problémů dříve, než nastanou, nám může ušetřit čas a úsilí. Zde je návod, jak zastavit deformaci CNC v každé fázi práce.
Před obráběním: Příprava materiálu
Materiály se obvykle dodávají se zbytkovým napětím. Toto napětí je nutné před řezáním uvolnit.
Metoda tepelného odlehčení pnutí spočívá v umístění obrobku do pece. Ten se zahřeje, udržuje na konstantní teplotě a poté se pomalu ochladí. To umožňuje uvolnění vnitřních pnutí. Metoda vibračního odlehčení pnutí spočívá v vystavení obrobku vibracím. Amplituda je malá, tak akorát k tomu, aby se atomy mohly přeskupit. Kryogenní zpracování využívá extrémně nízké teploty. Materiál se rovnoměrně smršťuje, čímž se vyrovnávají zbytková pnutí.
Řízení rozměrů polotovaru pro hrubé obrábění také pomáhá zmírnit pnutí. Velký polotovar se hrubě obrobí na téměř konečné rozměry, nechá se po určitou dobu v klidu, aby se přirozeně deformoval, a poté se dokončí. K této deformaci dochází během klidové doby polotovaru, nikoli během obrábění hotového výrobku.
Upínání a upínání obrobků
Upínací síla je dvousečná zbraň. Pokud je upínací síla příliš nízká, obrobek se během obrábění posune; pokud je příliš vysoká, obrobek se elasticky deformuje. Po uvolnění upínací síly se obrobek odpruží a zdeformuje.
Řešením je upínání s nízkou silou. Aplikujte pouze sílu dostatečnou k zajištění obrobku – nikdy ne více, než je nutné.
Přísavky jsou vhodné pro ploché obrobky. Zajišťují rovnoměrné sání bez vytváření lokálních tlakových bodů. Měkké přísavky se přizpůsobí tvaru obrobku a rozloží sílu na větší plochu. Zalévací vosk je vhodný pro přesné nebo nepravidelně tvarované obrobky. Obrobek je zalit do vosku a držen na místě, čímž se eliminuje potřeba jakékoli upínací síly.
Strategie dráhy nástroje
Pořadí je důležitější než jednotlivé střihy.
Nejprve hrubujte součást. Nechte polotovar na všech površích. Poté součást uvolněte. Pak ji dokončete. Hrubování uvolní většinu vnitřního pnutí. Krok uvolnění pnutí se postará o zbytek. Dokončovací řez odstraní pouze tenkou vrstvu. Tato vrstva nenese dostatečné pnutí, aby způsobila deformaci při CNC obrábění.
Adaptivní nebo trochoidální frézování mění pravidla hry. Nástroj provádí lehký radiální řez. Pohybuje se po kruhové dráze. Tloušťka třísky zůstává konstantní. Řezné síly zůstávají nízké. Teplo zůstává nízké. Součást se neprohýbá.
Sousledné frézování versus konvenční frézování? Sousledné frézování vtlačuje nástroj do obrobku. Konvenční frézování nástroj odtahuje. Pro prevenci deformace vítězí sousledné frézování. Řezné síly působí dolů, do stolu. Ne do stran, do tenké stěny.
Parametry řezání a chlazení
Chladicí kapalina odvádí teplo. Také vytváří tepelný šok. Řezná zóna se zahřívá. Chladicí kapalina na ni dopadá. Povrch se rychle ochlazuje. Jádro zůstává horké. Tento teplotní rozdíl vytváří pnutí. Proud vzduchu odstraňuje třísky a zajišťuje určité chlazení bez tepelného šoku.
Zabraňte tepelným cyklům. Nenechte součást zahřát, vychladnout a znovu zahřát. Každý cyklus zvyšuje namáhání. Udržujte řezné podmínky stabilní od začátku do konce.
Vícekrokové obrábění
Dvě nastavení jsou lepší než jedno, když se CNC díly deformují v důsledku nerovnoměrného úběru materiálu.
Strategie řezání s převrácením vyrovnávají napětí. Nejprve hrubě obrobte jednu stranu, poté otočte obrobek a hrubě obrobte druhou stranu. Znovu jej otočte. V každém kroku střídejte úběr materiálu mezi oběma stranami. Tím se udrží napětí vyvážené.
Obětní podpěry jsou dočasné. Před obráběním přidejte do tenkostěnných oblastí žebra nebo výstupky. Během posledního průchodu podpěry odstraňte. Obrobek zůstává během obrábění tuhý. Podpěry se odříznou a nezanechají po sobě žádnou stopu.
Tyto strategie fungují společně. Předúprava materiálu snižuje počáteční pnutí. Správné upnutí obrobku zabraňuje elastickému odrazu. Inteligentní dráhy nástroje minimalizují řezné síly. Dostatečné chlazení řídí hromadění tepla. Vícekroková obráběcí sekvence vyvažuje úběr materiálu. Spojte je všechny dohromady. Takto jednou provždy zastavíte deformaci CNC.
VZNEŠENÝ – Přesné CNC obrábění a obrábění plastů
Naše klíčové zpracovatelské schopnosti
Tvary a materiály z předchozích sekcí? Pracujeme s nimi denně.
Služby CNC obrábění
- 3osé, 4osé a 5-osé CNC frézování
- CNC soustružení s poháněnými nástroji
- Frézovací a soustružnická obrábění pro komplexní jednorázové geometrie
- Od prototypování až po plnou výrobní sérii
Služby obrábění plastů
- CNC obrábění technických plastů: PEEK, POM, ABS, Nylon, UHMW, PTFE
- Vstřikování plastů pro větší objemy
- Následné zpracováníodjehlování, tepelné tvrzení, povrchová úprava
Certifikace kvality – Vaše záruka proti deformaci
| Osvědčení | Rozsah | Co to pro vás znamená |
| ISO 9001: 2015 | Systém řízení kvality | Konzistentní procesy, zdokumentované protokoly pro odbourávání stresu a sledovatelná kontrola |
| ISO 13485: 2016 | Řízení kvality zdravotnických prostředků | Přísná kontrola procesu – zásadní pro implantabilní nástroje a chirurgické nástroje, kde je deformace na úrovni mikronů nepřijatelná |
Nejčastější dotazy
Můžete opravit deformovaný CNC díl po obrábění?
Někdy. Rovnání za tepla nebo rovnání za tepla funguje u tvárných kovů. Oprava CNC dílů, které se následně deformují, je však vždy dražší než tomu v první řadě zabránit.
Zabraňuje žíhání vždy deformaci?
Ne. Žíhání snižuje zbytkové pnutí, ale neodstraňuje ho. Nerovnoměrné odebírání materiálu po žíhání může stále způsobovat deformace při CNC obrábění.
Je deformace horší pro 5osý vs. 3osé obrábění?
Ne ze své podstaty. Typ stroje hraje menší roli než procesní strategie a vyrovnání napětí během odebírání materiálu. Špatné plánování dráhy nástroje způsobuje deformaci CNC dílů na jakémkoli stroji.
Jaká je nejtenčí stěna, kterou mohu spolehlivě obrobit bez deformace?
Neexistuje univerzální číslo. Záleží na materiálu, výšce stěny, řezných silách a požadavcích na toleranci. Pro hliník je bezpečné výchozí pravidlo 1 mm tloušťky na každých 20 mm výšky.
