Wprowadzenie
Czy spotkałeś się kiedyś z taką sytuacją: program działa płynnie, ścieżka narzędzia jest poprawna, a pomiary wykonane na obrabiarce są zgodne ze specyfikacją. Jednak po wyjęciu części z maszyny jeden róg się wygina, a część środkowa wygina. Obrabiany przedmiot ostatecznie trafia na złom.
W tym przewodniku przeanalizujemy główne przyczyny problemu: które kształty są najbardziej podatne, które materiały najprawdopodobniej spowodują problemy i, co najważniejsze, które rozwiązania są naprawdę skuteczne w rzeczywistych warunkach produkcyjnych.
5 głównych przyczyn odkształceń Obróbka CNC
Dlaczego części CNC się odkształcają? Pięć powodów. Omówmy je.
1. Naprężenia resztkowe powstające podczas produkcji materiałów
Materiał seryjny ma swoje ukryte wady. Walcowanie, kucie, wytłaczanie – te procesy blokują naprężenia wewnętrzne w metalu lub tworzywie sztucznym. Siły równoważą się wewnątrz bloku. Część leży płasko.
Po rozpoczęciu obróbki CNC i usunięciu materiału równowaga ta zostaje zaburzona. Naprężenia szczątkowe zostają uwolnione. Część zaczyna się poruszać. Odkształca się i wygina.
Obróbka CNC działa jak proces uwalniania naprężeń. Część po prostu reaguje na to, co już tam było.
2. Rozszerzalność cieplna (efekty termiczne)
Cięcie generuje ciepło. Ciepło to jest nierównomiernie rozprowadzane i trudne do przewidzenia.
Narzędzie ociera. Chip odprowadza ciepło — albo i nie.
Różne części podzespołu nagrzewają się z różną szybkością. Materiały w wysokich temperaturach rozszerzają się, a w niskich nie. Ta różnica w rozszerzalności powoduje naprężenia wewnętrzne.
Sytuacja jest jeszcze gorsza w przypadku profili cienkościennych. Obszary te zawierają mniej materiału i nie są w stanie skutecznie absorbować i odprowadzać ciepła. W rezultacie nagrzewają się szybciej, rozszerzają się bardziej gwałtownie i ulegają większym odkształceniom.
3. Siły zaciskania/mocowania
Część została umieszczona płasko w imadle i solidnie zamocowana. Wszystko wyglądało normalnie podczas obróbki CNC.
Po zakończeniu obróbki zaciski zostały zwolnione. Obrabiany przedmiot powrócił do swojego naturalnego kształtu. W tym momencie kształt nie był już płaski.
To odkształcenie sprężyste. Podczas procesu cięcia siła zacisku powoduje wygięcie przedmiotu obrabianego. Maszyna CNC przetwarza ten wygięty kształt. Po usunięciu siły zacisku przedmiot obrabiany powraca do pierwotnego, niepłaskiego stanu. Klasycznym przykładem jest zbyt mocne zaciśnięcie cienkiego pierścienia. Po wyjęciu z maszyny ma on kształt okrągły, ale natychmiast powraca do kształtu eliptycznego.
4. Niska sztywność przedmiotu obrabianego
Niektóre części są po prostu wiotkie. Długie, cienkie ściany. Duże, płaskie podłogi bez żadnego wsparcia. Narzędzie tnące naciska w dół. Materiał naciska z powrotem, ale nie wystarczająco mocno. Odchyla się.
Narzędzie wycina ten zdeformowany kształt. Następnie kontynuuje ruch. Materiał powraca na swoje miejsce. W tym momencie dolna powierzchnia nie jest już płaska, a ścianki boczne nie są już proste.
Klucz tkwi w tym stosunku: sztywność podzielona przez siłę skrawania. Jeśli ta wartość jest niska, odkształcenia są niemal nieuniknione w obróbce CNC.
5. Niewłaściwa ścieżka narzędzia i strategia cięcia
Nieprawidłowe programowanie może spowodować odkształcenie przedmiotu obrabianego; maszyna CNC to przecież nie człowiek — urządzenie to po prostu wykonuje instrukcje.
Nadmierna głębokość skrawania zwiększa siły skrawania. Frezowanie przeciwbieżne a przeciwbieżne – niewłaściwy wybór może zwiększyć naprężenia. Brak skrawania buforowego oznacza, że obrabiany przedmiot nie ma szans na stabilizację. Powierzchnia po obróbce wstępnej jest nierówna. Obróbka wykańczająca usuwa materiał tylko z jednej strony. Nierównowaga naprężeń staje się natychmiast widoczna.
Te pięć przyczyn nie działa w izolacji, lecz nakłada się na siebie. Gdy materiał poddawany naprężeniom jest obrabiany w wysokich temperaturach, zaciskany zbyt mocno, a sam przedmiot obrabiany jest podatny na odkształcenia – a wszystko to potęguje złe planowanie ścieżki? Taki przedmiot obrabiany jest skazany na awarię. Dlatego…
8 kształtów podatnych na odkształcenia
Niektóre kształty są szczególnie podatne na odkształcenia podczas obróbki CNC. Dlatego projektanci powinni od samego początku unikać tych kształtów.
| Shape | Podstawowy tryb awarii | Szybka naprawa |
| Cienkie ściany i żebra | Skłony, ślady wibracji | Zakładki podporowe, zmniejszone zaangażowanie promieniowe |
| Cienkie podłogi i kieszenie na spodnie | Bańki, sprężyna | Pozostaw zapas, zakończ etapami |
| Długie, smukłe części (wysoki stosunek L/D) | Skręcający się kształt banana | Odwróć część, cykle łagodzenia stresu |
| Duże płaskie cienkie płyty | Kopuła, uniesienie krawędzi | Osprzęt próżniowy, tylko frezowanie współbieżne |
| Części asymetryczne w kształcie litery C lub U | Rozstawianie lub zamykanie nóg | Zacisk po obróbce zgrubnej, przejścia resztkowe |
| Cienkie kołnierze i nawisy | Opadać, gadać | Podnieś miękkie szczęki i zmniejsz wystające elementy |
| Rury i cylindry cienkościenne | Owalne, zwężające się ściany | Podparcie trzpienia, wyważone cięcia |
| Części z głębokimi kieszeniami | Wypaczanie się podłogi, pochylenie ścian | Śrubowe nachylenie, wykończenie resztkowe |
Przyjrzyjmy się teraz każdemu kształtowi bardziej szczegółowo. Zrozumienie, które kształty CNC są podatne na odkształcenia, pomoże wykryć problemy przed rozpoczęciem programowania.
Cienkie ściany i żebra
Takie konstrukcje są powszechne w obudowach lotniczych i elektronicznych – wysokie ściany o stosunkowo cienkich ściankach. Siły tnące odpychają je na boki, powodując wibracje i zginanie.
Cienkie podłogi i kieszenie na spodnie
Kiedy narzędzie wycina rowek, podstawa u dołu jest cienka i nie ma pod nią żadnego podparcia poza powietrzem. Siły skrawania działają w dół, powodując ugięcie podstawy. Po przejściu narzędzia, podstawa sprężynuje do pozycji wyjściowej. W rezultacie podstawa przestaje być płaska.
Długie, smukłe części (wysoki współczynnik L/D)
Wyobraź sobie długi wał lub smukłą belkę. Podczas obróbki element ugina się pod własnym ciężarem. Odchyla się od narzędzia. Ubytek materiału jest mniejszy w środku niż na końcach. Gotowy element wygląda jak banan.
Duże płaskie cienkie płyty
Duży, płaski arkusz może wydawać się prosty, ale taki nie jest. Naprężenia szczątkowe w surowym arkuszu lub wykroju są uwalniane nierównomiernie. Krawędzie mogą się podwijać, środek może się wybrzuszać, a w końcu cały przedmiot obrabiany może się wypaczyć.
Części asymetryczne w kształcie litery C lub U
Te kształty są otwarte z jednej strony. Dwie „nóżki” nie są połączone na otwartym końcu. Siła zacisku popycha obie „nóżki” do wewnątrz, aby dokończyć cięcie. Po zwolnieniu siły zacisku nogi sprężynują, zmieniając wymiary w miejscu otworu.
Cienkie kołnierze i nawisy
Ten element wystaje na zewnątrz i jest podparty tylko z jednej strony. Siły skrawające wywierają nacisk w dół na wolny koniec, powodując ugięcie kołnierza, co skutkuje drganiami i wyjątkowo słabą jakością wykończenia powierzchni.
Rury i cylindry cienkościenne
Cienkościenne, okrągłe części są zwodnicze. Po obróbce powierzchni zewnętrznej naprężenia zostają uwolnione, co powoduje, że okrąg rozciąga się i odkształca w elipsę, lub, z powodu odginania się części od narzędzia, grubość ścianki staje się nierówna.
Części z głębokimi kieszeniami
Głębokie wgłębienia powodują długi wysięg narzędzia. Chociaż końcówka narzędzia może się wyginać, prawdziwy problem leży w pozostałych powierzchniach dolnej i bocznej. Nierównomierne cięcie powoduje brak równowagi, co prowadzi do wypaczenia powierzchni dolnej i przechylenia ścianek bocznych.
Wczesne rozpoznanie tych kształtów to pierwsza linia obrony przed odkształceniami podczas obróbki CNC. Każdy z nich wymaga innej strategii. Szybkie poprawki z tabeli zaczynają działać.
Materiały wymagające szczególnej uwagi
Niektóre są stabilne. Inne nie. Wiedza o tym, które materiały ulegają odkształceniu podczas obróbki CNC, pozwala zaoszczędzić sporo odpadów.
Aluminium (6061-T6, 7075-T6) – Naprężenie toczne
Proces walcowania generuje naprężenia wewnętrzne w aluminium. Gdy blacha aluminiowa jest ściskana między rolkami, powierzchnia poddawana jest naprężeniom rozciągającym, podczas gdy rdzeń pozostaje pod wpływem naprężeń ściskających. W tym momencie obrabiany przedmiot jest płaski. Następnie obróbka skrawaniem usuwa materiał z jednej strony przedmiotu obrabianego. Równowaga zostaje przerwana. Element natychmiast się odkształca.
Blachy ze stali nierdzewnej (304, 316) – Utwardzanie przez zgniot
Materiał ten twardnieje podczas cięcia. Warstwa powierzchniowa sztywnieje. Rdzeń nie. Ta zróżnicowana twardość powoduje zróżnicowane naprężenia. Cienkie elementy ze stali nierdzewnej są znane z tego, że odkręcają się od maszyny.
Tytan (klasa 5) – niska sztywność + sprężystość powrotna
Tytan ma niski moduł sprężystości. To eleganckie określenie oznaczające, że łatwo się wygina i powraca do pierwotnego kształtu. Nacisk skrawania powoduje odkształcenie elementu. Narzędzie nadaje mu odkształcony kształt. Następnie element powraca do pierwotnego, nieregularnego kształtu. Obróbka CNC tytanu to codzienna walka.
Stale narzędziowe hartowane – zmiana fazy wywołana ciepłem
Ciepło powstające podczas cięcia może zmienić mikrostrukturę. Powierzchnia ulega przekształceniu. Objętość nieznacznie się zmienia. Ta niewielka zmiana powoduje duże naprężenia. Element się rozciąga. Skręca. Hartowana stal nie powoduje tego problemu. Po obróbce okazuje się jedynie wypaczonym blokiem.
Mosiądz i miedź swobodnie skrawalna – naprężenie wytłaczania
Materiały te są często wytłaczane. Proces wytłaczania blokuje kierunek włókien i naprężenia wewnętrzne. Obróbka skrawaniem powoduje nierównomierne rozłożenie tych naprężeń. Element się porusza. Czasami porusza się bardzo mocno.
Tworzywa sztuczne (nylon, acetal, UHMW) – odporność na ciepło i pełzanie
Tworzywa sztuczne są gorsze od metali. Słabo przewodzą ciepło. Strefa cięcia nagrzewa się. Otaczający materiał pozostaje chłodny. Ta różnica temperatur powoduje naprężenia. Następnie element z czasem zaczyna się pełzać. Leży na stole kontrolnym. Jego pomiary są dokładne. Godzinę później jest już odkształcony. Dlatego części CNC w plastiku odkształcają się częściej, niż spodziewają się operatorzy.
Kompozyty z włókna węglowego – naprężenia anizotropowe
Włókna biegną w jednym kierunku. Matryca je utrzymuje. Naprężenia w elemencie nie są takie same we wszystkich kierunkach. Obróbka mechaniczna przecina włókna. Pozostała struktura reorganizuje swoje naprężenia. Cienkie elementy kompozytowe skręcają się w nieprzewidywalny sposób.
Odlewy magnezowe – Nierównomierne naprężenie chłodzące
Odlew stygnie. Zewnętrzna część krzepnie jako pierwsza. Wnętrze krzepnie jako ostatnie. Rdzeń naciąga powłokę. To zablokowane naprężenie czeka na obróbkę. Usuń wystarczającą ilość materiału, a balans się przechyli. Odlew się wypaczy.
Niestabilny materiał wymaga odprężenia, różnych ścieżek narzędzi lub obu tych elementów. Zignoruj właściwości materiału, a odkształcenia podczas obróbki CNC staną się nieuniknione.
Jak zapobiegać odkształcaniu – praktyczne strategie
Naprawa wypaczonych części jest nie tylko kłopotliwa, ale i kosztowna. Podejmowanie kroków zapobiegających problemom, zanim się pojawią, może pomóc nam zaoszczędzić czas i wysiłek. Oto jak zapobiegać wypaczaniu się CNC na każdym etapie pracy.
Przed obróbką: Przygotowanie materiału
Materiały zazwyczaj dostarczane są z naprężeniami szczątkowymi. Naprężenia te muszą zostać usunięte przed cięciem.
Metoda odprężania termicznego polega na umieszczeniu przedmiotu obrabianego w piecu. Jest on podgrzewany, utrzymywany w stałej temperaturze, a następnie powoli schładzany. Pozwala to na uwolnienie naprężeń wewnętrznych. Metoda odprężania wibracyjnego polega na poddaniu przedmiotu obrabianego drganiom. Amplituda drgań jest niewielka, wystarczająca do przegrupowania atomów. Obróbka kriogeniczna wykorzystuje ekstremalnie niskie temperatury. Materiał kurczy się równomiernie, równoważąc w ten sposób naprężenia szczątkowe.
Kontrola wymiarów obróbki zgrubnej wykroju pomaga również zmniejszyć naprężenia. Duży wykroj jest obrabiany zgrubnie do wymiarów zbliżonych do finalnych, pozostawiany na pewien czas w celu naturalnego odkształcenia, a następnie wykańczany. Odkształcenie to występuje w okresie spoczynku wykroju, a nie podczas obróbki gotowego produktu.
Uchwyty i mocowania
Siła zacisku to miecz obosieczny. Zbyt niska siła zacisku powoduje przesunięcie przedmiotu obrabianego podczas obróbki; zbyt wysoka powoduje odkształcenie sprężyste przedmiotu obrabianego. Po zwolnieniu siły zacisku przedmiot obrabiany odkształci się i odkształci.
Rozwiązaniem jest zaciskanie z niską siłą. Należy stosować tylko tyle siły, ile potrzeba do zabezpieczenia przedmiotu obrabianego — nigdy więcej, niż to konieczne.
Przyssawki próżniowe nadają się do płaskich przedmiotów obrabianych. Zapewniają równomierne ssanie bez tworzenia punktów nacisku. Miękkie wargi przyssawki dopasowują się do kształtu przedmiotu obrabianego, rozprowadzając siłę na większej powierzchni. Zatapianie wosku jest odpowiednie do precyzyjnych lub nieregularnych przedmiotów obrabianych. Przedmiot obrabiany jest zatapiany w wosku i utrzymywany w miejscu, co eliminuje potrzebę stosowania siły zacisku.
Strategie ścieżek narzędzi
Kolejność jest ważniejsza niż pojedyncze cięcia.
Najpierw zgrubnie obrób element. Pozostaw naddatek na wszystkich powierzchniach. Następnie odpręż element. Na koniec wykończ go. Obróbka zgrubna usuwa większość naprężeń wewnętrznych. Etap odprężania zajmuje się resztą. Obróbka wykończeniowa usuwa tylko cienką warstwę. Ta warstwa nie przenosi wystarczających naprężeń, aby spowodować odkształcenie podczas obróbki CNC.
Frezowanie adaptacyjne lub trochoidalne zmienia zasady gry. Narzędzie wykonuje lekkie skrawanie promieniowe. Porusza się po torze kołowym. Grubość wióra pozostaje stała. Siły skrawania pozostają niskie. Temperatura pozostaje niska. Element nie ulega odkształceniu.
Frezowanie współbieżne a frezowanie konwencjonalne? Frezowanie współbieżne wciska narzędzie w element. Frezowanie konwencjonalne odciąga narzędzie. Jeśli chodzi o zapobieganie odkształcaniu, wygrywa frezowanie współbieżne. Siły skrawania schodzą w dół, w stół. A nie na boki, w cienką ściankę.
Parametry cięcia i chłodzenia
Chłodziwo odprowadza ciepło. Powoduje również szok termiczny. Strefa cięcia nagrzewa się. Chłodziwo styka się z nią. Powierzchnia szybko się ochładza. Rdzeń pozostaje gorący. Ta różnica temperatur powoduje naprężenia. Podmuch powietrza usuwa wióry i zapewnia chłodzenie bez szoków.
Unikaj cykli termicznych. Nie pozwól, aby element się nagrzał, ostygł i ponownie nagrzał. Każdy cykl generuje dodatkowe obciążenie. Utrzymuj stałe warunki cięcia od początku do końca.
Obróbka wieloetapowa
Dwa ustawienia są lepsze niż jedno, gdy części CNC odkształcają się z powodu nierównomiernego usuwania materiału.
Strategie flip-cut równoważą naprężenia. Najpierw obrób zgrubnie jedną stronę, następnie obróć przedmiot obrabiany i obrób zgrubnie drugą stronę. Ponownie obróć. Naprzemiennie usuwaj materiał z obu stron na każdym etapie. Dzięki temu naprężenia są zrównoważone.
Podpory ofiarne są tymczasowe. Przed obróbką należy dodać żebra lub występy do obszarów o cienkich ściankach. Podpory należy usunąć podczas ostatniego przejścia. Obrabiany przedmiot pozostaje sztywny podczas obróbki. Podpory są odcinane, nie pozostawiając śladu.
Te strategie działają razem. Wstępna obróbka materiału zmniejsza naprężenia wstępne. Prawidłowe mocowanie przedmiotu obrabianego zapobiega odkształceniom sprężystym. Inteligentne ścieżki narzędzi minimalizują siły skrawania. Odpowiednie chłodzenie kontroluje nagrzewanie. Wieloetapowa sekwencja obróbki równoważy usuwanie materiału. Połącz wszystkie te elementy. W ten sposób można raz na zawsze wyeliminować odkształcenia CNC.
SZLACHETNY – Precyzyjna obróbka CNC i obróbka tworzyw sztucznych
Nasze główne możliwości przetwarzania
Kształty i materiały z poprzednich sekcji? Mamy z nimi do czynienia na co dzień.
prototypowanie - LUBLIN
- 3-osiowy, 4-osiowy i Frezowanie CNC 5-osiowe
- Toczenie CNC z narzędziami roboczymi
- Toczenie-frezowanie dla złożonych geometrii wykonywanych jednym uderzeniem
- Prototypowanie i pełne serie produkcyjne
Usługi obróbki tworzyw sztucznych
- Obróbka CNC tworzyw sztucznych konstrukcyjnych: PEEK, POM, ABS, Nylon, UHMW, PTFE
- Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych dla większych wolumenów
- Przetwarzanie końcowe: gratowanie, utrwalanie termiczne, wykańczanie powierzchni
Certyfikaty jakości – Twoja gwarancja odporności na odkształcenia
| Certyfikacja | Zakres | Co to oznacza dla Ciebie |
| ISO 9001: 2015 | System zarządzania jakością | Spójne procesy, udokumentowane protokoły łagodzenia stresu i kontrola z możliwością śledzenia |
| ISO 13485: 2016 | Zarządzanie jakością wyrobów medycznych | Rygorystyczna kontrola procesu – kluczowa w przypadku narzędzi wszczepialnych i chirurgicznych, w których niedopuszczalne są odkształcenia rzędu mikronów |
FAQ
Czy można naprawić zdeformowaną część CNC po obróbce?
Czasami. Prostowanie prasą lub prostowanie termiczne sprawdza się w przypadku metali ciągliwych. Jednak naprawa części CNC, które odkształcają się po fakcie, jest zawsze droższa niż zapobieganie temu zjawisku.
Czy wyżarzanie zawsze zapobiega odkształceniom?
Nie. Wyżarzanie zmniejsza naprężenia szczątkowe, ale ich nie eliminuje. Nierównomierne usuwanie materiału po wyżarzaniu może nadal powodować odkształcenia podczas obróbki CNC.
Czy deformacja jest gorsza dla 5-osiowy w porównaniu z obróbką 3-osiową?
Nie z natury. Typ maszyny ma mniejsze znaczenie niż strategia procesu i bilans naprężeń podczas usuwania materiału. Niewłaściwe planowanie ścieżki narzędzia powoduje odkształcanie się części CNC na każdej maszynie.
Jaka jest najcieńsza ściana, którą mogę obrabiać maszynowo bez odkształcania?
Nie ma uniwersalnej wartości. Zależy ona od materiału, wysokości ścianki, siły cięcia i wymagań dotyczących tolerancji. W przypadku aluminium bezpieczną zasadą wyjściową jest 1 mm grubości na każde 20 mm wysokości.
