Введение
Вы когда-нибудь сталкивались с такой ситуацией: программа работает без сбоев, траектория движения инструмента верна, а измерения, выполненные на станке, соответствуют техническим требованиям. Однако после снятия детали со станка один угол загибается, а центральная часть деформируется. В итоге заготовку приходится выбрасывать.
В этом руководстве будут проанализированы первопричины: какие формы наиболее подвержены проблемам, какие материалы с наибольшей вероятностью могут их вызвать и, что наиболее важно, какие решения действительно эффективны в реальных условиях производственного цеха.
5 основных причин деформации Обработка CNC
Почему детали, изготовленные на станках с ЧПУ, деформируются? Пять причин. Давайте рассмотрим их.
1. Остаточные напряжения, возникающие при производстве материалов.
Исходный материал имеет скрытые недостатки. Прокатка, ковка, экструзия — эти процессы фиксируют внутренние напряжения в металле или пластике. Силы уравновешивают друг друга внутри блока. Деталь располагается ровно.
Когда начинается обработка на станке с ЧПУ и удаляется материал, это равновесие нарушается. Остаточные напряжения снимаются. Деталь начинает двигаться. Она будет деформироваться и изгибаться.
Обработка на станках с ЧПУ служит для снятия внутренних напряжений. Деталь просто реагирует на уже существующие изменения.
2. Тепловое расширение (термические эффекты)
При резке выделяется тепло. Это тепло распределяется неравномерно, и его трудно предсказать.
Инструмент трется. Чип отводит тепло — или не отводит.
Различные части детали нагреваются с разной скоростью. Материалы при высоких температурах расширяются, а материалы при низких температурах — нет. Эта разница в расширении создает внутреннее напряжение.
Ситуация еще хуже в тонкостенных профилях. В этих областях содержится меньше материала, и они не способны эффективно поглощать и рассеивать тепло. В результате они быстрее нагреваются, сильнее расширяются и подвергаются более серьезной деформации.
3. Усилия зажима/удержания заготовки
Деталь была плотно зажата в тисках и надежно зафиксирована. Во время обработки на станке с ЧПУ все выглядело нормально.
После завершения обработки зажимы были сняты. Заготовка вернулась к своей естественной форме. В этот момент форма перестала быть плоской.
Это упругая деформация. В процессе резки усилие зажима вызывает изгиб заготовки. Станок с ЧПУ обрабатывает эту изогнутую форму. Когда усилие зажима снимается, заготовка возвращается в свое первоначальное неплоское состояние. Классический пример — чрезмерное зажимание тонкого кольца. После извлечения из станка оно имеет круглую форму, но немедленно возвращается в эллиптическую.
4. Низкая жесткость заготовки
Некоторые части просто провисают. Длинные тонкие стенки. Большие плоские поверхности без опоры. Режущий инструмент давит вниз. Материал оказывает сопротивление, но недостаточно сильное. Он деформируется.
Инструмент вырезает эту деформированную форму. Затем инструмент продолжает движение. Материал возвращается в исходное положение. В этот момент нижняя поверхность перестает быть плоской, а боковые стенки перестают быть прямыми.
Ключевое значение имеет это соотношение: жесткость, деленная на силу резания. Если это значение низкое, деформация при обработке на станках с ЧПУ практически неизбежна.
5. Неправильная траектория движения инструмента и стратегия резки.
Неправильное программирование может привести к деформации заготовки; в конце концов, станок с ЧПУ — это не человек, он просто следует инструкциям.
Чрезмерная глубина резания увеличивает силы резания. Фрезерование с восходящим или нисходящим резом — неправильный выбор может увеличить напряжение. Отсутствие буферных резов означает, что заготовка не имеет возможности стабилизироваться. Шероховатая обработанная поверхность неровная. Чистовая обработка удаляет материал только с одной стороны. Дисбаланс напряжений становится очевидным сразу.
Эти пять причин действуют не изолированно, а усугубляют друг друга. Когда напряженный материал обрабатывается при высоких температурах, слишком сильно зажимается, а сама заготовка склонна к деформации — и все это усугубляется плохим планированием траектории? Такая заготовка обречена на поломку. Вот почему.
8 форм, склонных к деформации
Некоторые формы особенно подвержены деформации во время обработки на станках с ЧПУ. Поэтому проектировщикам следует с самого начала избегать таких форм.
| Форма | Основной режим отказа | Quick Fix |
| Тонкие стенки и ребра | следы сгибания, следы вибрации | Опорные выступы, уменьшенное радиальное зацепление |
| Тонкие полы и днища карманов | Вакуумное прижатие, подъем | Оставьте запасы, завершайте поэтапно. |
| Длинные тонкие детали (высокое соотношение длины к диаметру) | Скручивающаяся форма банана | Переверните деталь, циклы снятия напряжения. |
| Большие плоские тонкие пластины | Куполообразная форма, подтяжка краев | Вакуумное крепление, только попутное фрезерование. |
| Асимметричные детали С-образной или U-образной формы | Ноги раздвигаются или смыкаются | Зажим после черновой обработки, остальные проходы |
| Тонкие фланцы и свесы | Поникший, болтливый | Отступайте назад мягкими челюстями, уменьшите выступание. |
| Тонкостенные трубы и цилиндры | Овальные, сужающиеся кверху стены | Поддержка оправки, сбалансированная резка |
| Детали с глубокими карманами | Деформация пола, наклон стены | Спиральное наращивание, остальная часть отделки |
Теперь давайте рассмотрим каждую форму подробнее. Понимание того, какие формы, обрабатываемые на станках с ЧПУ, склонны к деформации, помогает выявлять проблемы еще до начала программирования.
Тонкие стенки и ребра
Подобные конструкции часто встречаются в корпусах аэрокосмической техники и электронных устройств — высокие стенки относительно тонкие. Силы резания смещают их в стороны, вызывая вибрацию и изгиб.
Тонкие полы и днища карманов
Когда инструмент прорезает канавку, основание внизу тонкое и не имеет никакой опоры, кроме воздуха. Силы резания действуют вниз, вызывая изгиб основания. После прохождения инструмента основание возвращается в исходное положение. В результате основание перестает быть плоским.
Длинные тонкие детали (высокое соотношение длины к диаметру)
Представьте себе длинный вал или тонкую балку. Во время обработки деталь изгибается под собственным весом. Она отклоняется от инструмента. Съем материала происходит меньше в середине, чем на концах. В результате готовая деталь приобретает форму банана.
Большие плоские тонкие пластины
Большой плоский лист может показаться простым, но это не так. Остаточные напряжения в необработанном листе или заготовке снимаются неравномерно. Края могут загибаться, центр может выгибаться, и в конечном итоге вся заготовка может деформироваться.
Асимметричные детали С-образной или U-образной формы
Эти детали открыты с одной стороны. Две «ножки» не соединены на открытом конце. Сила зажима вдавливает две «ножки» внутрь для завершения резки. Когда сила зажима ослабевает, ножки возвращаются в исходное положение, изменяя размеры в отверстии.
Тонкие фланцы и свесы
Эта деталь выступает наружу и поддерживается только с одной стороны. Силы резания оказывают давление вниз на свободный конец, вызывая провисание фланца, что приводит к вибрации и крайне низкому качеству поверхности.
Тонкостенные трубы и цилиндры
Тонкостенные круглые детали вводят в заблуждение. После обработки внешней поверхности напряжение снимается, в результате чего круг растягивается и деформируется в эллипс, или же, из-за изгиба детали относительно инструмента, толщина стенки становится неравномерной.
Детали с глубокими карманами
Глубокие полости приводят к значительному выступу инструмента. Хотя кончик инструмента может изгибаться, настоящая проблема заключается в оставшихся нижних и боковых поверхностях. Неравномерная резка вызывает дисбаланс, приводящий к деформации нижней поверхности и наклону боковых стенок.
Раннее распознавание этих форм — первая линия защиты от деформации при обработке на станках с ЧПУ. Для каждой формы требуется своя стратегия. Быстрые решения, представленные в таблице, помогут начать.
Материалы, требующие особого внимания
Некоторые материалы стабильны, другие — нет. Знание того, какие материалы деформируются при обработке на станках с ЧПУ, позволяет значительно сократить количество брака.
Алюминий (6061-T6, 7075-T6) – Напряжение при качении
Процесс прокатки создает внутренние напряжения в алюминии. Когда алюминиевый лист сжимается между роликами, его поверхность подвергается растягивающему напряжению, в то время как сердцевина остается под сжимающим напряжением. В этот момент заготовка плоская. Затем механическая обработка удаляет материал с одной стороны заготовки. Баланс нарушается. Деталь немедленно деформируется.
Листы из нержавеющей стали (304, 316) – упрочнение при деформации
Этот материал затвердевает при резке. Поверхностный слой становится жестче, а сердцевина — нет. Эта разница в твердости создает разницу в напряжениях. Тонкие детали из нержавеющей стали печально известны тем, что отламываются от станка.
Титан (5-й класс) – низкая жесткость + упругое восстановление формы.
Титан обладает низким модулем упругости. Это означает, что он легко гнется и быстро возвращается в исходное положение. Давление при резке деформирует деталь. Инструмент вырезает деформированную форму. Затем деталь возвращается к новой, неправильной форме. Обработка титана на станках с ЧПУ — это ежедневная борьба.
Закаленные инструментальные стали – фазовый переход, вызванный нагревом
Нагрев при резке может изменить микроструктуру. Поверхность трансформируется. Объем незначительно изменяется. Это небольшое изменение создает большое напряжение. Деталь растягивается. Она скручивается. Закаленная сталь не сразу демонстрирует эту проблему. Она проявляется лишь в виде деформированного блока после обработки.
Латунь и легкообрабатываемая медь – напряжение при экструзии
Эти материалы часто изготавливаются методом экструзии. Процесс экструзии фиксирует направление зерен и внутреннее напряжение. Механическая обработка неравномерно распределяет это напряжение. Деталь движется. Иногда она движется очень сильно.
Пластмассы (нейлон, ацетал, сверхвысокомолекулярный полиэтилен) – термостойкость и ползучесть
Пластмассы хуже металлов. Они плохо проводят тепло. Зона резки нагревается, а окружающий материал остается холодным. Эта разница температур создает напряжение. Затем деталь со временем деформируется. Она лежит на контрольном столе. По размерам она в норме. Через час она деформируется. Именно поэтому детали, изготовленные на станках с ЧПУ, деформируются из пластика чаще, чем ожидают операторы.
Композиты из углеродного волокна – анизотропное напряжение
Волокна направлены в одну сторону. Матрица удерживает их. Напряжение в детали неодинаково во всех направлениях. Механическая обработка прорезает волокна. Оставшаяся структура перераспределяет напряжение. Тонкие композитные детали скручиваются непредсказуемым образом.
Магниевые отливки – Неравномерное напряжение охлаждения
Отливка остывает. Сначала затвердевает внешняя оболочка. Затем затвердевает внутренняя. Сердечник натягивается на внешнюю. Это застывшее напряжение ожидает обработки. Удалите достаточно материала, и баланс нарушится. Отливка деформируется.
Нестабильная структура требует снятия напряжений, изменения траектории движения инструмента или и того, и другого. Если пренебречь свойствами материала, деформация при обработке на станке с ЧПУ становится неизбежной.
Как предотвратить деформацию – практические стратегии
Ремонт деформированных деталей не только сложен, но и дорог. Предотвращение проблем до их возникновения поможет сэкономить время и силы. Вот как предотвратить деформацию деталей на станках с ЧПУ на каждом этапе работы.
Перед обработкой: подготовка материала.
Материалы обычно поставляются с остаточными напряжениями. Эти напряжения необходимо снять перед резкой.
Метод снятия термических напряжений включает в себя помещение заготовки в печь. Заготовку нагревают, поддерживают при постоянной температуре, а затем медленно охлаждают. Это позволяет снять внутренние напряжения. Метод снятия напряжений с помощью вибрации предполагает воздействие на заготовку вибраций. Амплитуда вибрации невелика, достаточна лишь для того, чтобы атомы могли перестроиться. Криогенная обработка использует чрезвычайно низкие температуры. Материал равномерно сжимается, тем самым уравновешивая остаточные напряжения.
Контроль размеров заготовки при черновой обработке также помогает снять напряжение. Большая заготовка подвергается черновой обработке до размеров, близких к окончательным, ей дают некоторое время на естественную деформацию, а затем проводят чистовую обработку. Эта деформация происходит во время периода покоя заготовки, а не во время обработки готового изделия.
Зажимы и крепления
Сила зажима — это палка о двух концах. Если сила зажима слишком мала, заготовка будет смещаться во время обработки; если она слишком велика, заготовка будет подвергаться упругой деформации. При снятии силы зажима заготовка вернется в исходное положение и деформируется.
Решение — зажим с малым усилием. Прикладывайте усилие, достаточное только для фиксации заготовки, никогда не превышайте необходимого.
Вакуумные присоски подходят для плоских заготовок. Они обеспечивают равномерное всасывание без создания локальных точек давления. Мягкие присоски повторяют форму заготовки, распределяя усилие по большей площади. Воск для заливки подходит для прецизионных или заготовок неправильной формы. Заготовка заливается воском и удерживается им на месте, что исключает необходимость в каком-либо зажимном усилии.
Стратегии траектории
Последовательность важнее, чем отдельные фрагменты.
Сначала выполните черновую обработку детали. Оставьте заготовку на всех поверхностях. Затем снимите внутренние напряжения. После этого выполните чистовую обработку. Черновая обработка снимает основную часть внутренних напряжений. Этап снятия напряжений завершает обработку остальной части. Чистовая обработка удаляет только тонкий слой. Этот слой не содержит достаточного напряжения, чтобы вызвать деформацию при обработке на станке с ЧПУ.
Адаптивное или трохоидальное фрезерование меняет правила игры. Инструмент совершает легкий радиальный рез. Он движется по круговой траектории. Толщина стружки остается постоянной. Силы резания остаются низкими. Нагрев остается низким. Деталь не деформируется.
Попутное фрезерование против обычного фрезерования? При попутном фрезеровании инструмент вдавливается в деталь. При обычном фрезеровании инструмент оттягивается. Для предотвращения деформации лучше подходит попутное фрезерование. Сила резания направлена вниз, в стол, а не вбок, в тонкую стенку.
Параметры резки и охлаждение
Охлаждающая жидкость отводит тепло. Она также создает термический шок. Зона резания нагревается. Охлаждающая жидкость воздействует на нее. Поверхность быстро остывает. Сердцевина остается горячей. Эта разница температур создает напряжение. Воздушный поток удаляет стружку и обеспечивает некоторое охлаждение без термического шока.
Избегайте термических циклов. Не допускайте перегрева, охлаждения и повторного нагрева детали. Каждый цикл создает дополнительную нагрузку. Поддерживайте стабильные условия резки от начала до конца.
Многоступенчатая обработка
В случае деформации деталей, изготовленных на станках с ЧПУ, из-за неравномерного удаления материала, две настройки лучше, чем одна.
Стратегии обратной обработки позволяют сбалансировать напряжения. Сначала выполняется черновая обработка одной стороны, затем заготовка переворачивается, и выполняется черновая обработка другой стороны. После этого заготовка снова переворачивается. На каждом этапе чередуется удаление материала с обеих сторон. Это позволяет поддерживать баланс напряжений.
Временные опоры являются временными. Перед обработкой на тонкостенные участки добавляются ребра или выступы. Опоры удаляются во время заключительного прохода. Во время обработки заготовка остается жесткой. Опоры срезаются, не оставляя следов.
Эти стратегии работают вместе. Предварительная обработка материала снижает начальное напряжение. Правильное зажимание заготовки предотвращает упругий отскок. Интеллектуальные траектории движения инструмента минимизируют силы резания. Адекватное охлаждение контролирует накопление тепла. Многоступенчатая последовательность обработки обеспечивает сбалансированное удаление материала. Объедините все эти стратегии. Вот как навсегда остановить деформацию при обработке на станках с ЧПУ.
БЛАГОРОДНЫЙ - Точная обработка с ЧПУ и обработка пластмасс
Наши основные вычислительные мощности
Формы и материалы из предыдущих разделов? Мы работаем с ними ежедневно.
Услуги по обработке с ЧПУ
- 3-осевой, 4-осевой и 5-осевое фрезерование с ЧПУ
- Токарный станок с ЧПУ с использованием инструментов в реальном времени
- Токарно-фрезерная обработка для сложных геометрических форм, получаемых за один проход.
- От создания прототипов до полномасштабного серийного производства.
Услуги по обработке пластмасс
- Обработка на станках с ЧПУ конструкционных пластмасс: PEEK, POM, ABS, нейлон, UHMW, PTFE.
- Литье пластмасс под давлением для больших объемов производства
- Постобработка: удаление заусенцев, термофиксация, финишная обработка поверхности
Сертификаты качества – ваша гарантия от деформации.
| Сертификаты | Объем | Что это значит для вас |
| ISO 9001: 2015 | Система контроля качества | Последовательные процессы, документированные протоколы снятия стресса и отслеживаемая инспекция. |
| ISO 13485: 2016 | Управление качеством медицинских изделий | Строгий контроль технологического процесса — критически важен для имплантируемых инструментов и хирургических приспособлений, где недопустима деформация на микронном уровне. |
FAQ
Можно ли исправить деформированную деталь, изготовленную на станке с ЧПУ, после механической обработки?
Иногда. Прессование или термовыпрямление помогают при работе с высокопрочными металлами. Но исправление деформаций деталей, изготовленных на станках с ЧПУ, после их изготовления всегда обходится дороже, чем предотвращение проблемы с самого начала.
Всегда ли отжиг предотвращает деформацию?
Нет. Отжиг снижает остаточные напряжения, но не устраняет их полностью. Неравномерное удаление материала после отжига все еще может привести к деформации при обработке на станках с ЧПУ.
Деформация ухудшает качество жизни. 5 оси В отличие от 3-осевой обработки?
Не обязательно. Тип станка имеет меньшее значение, чем стратегия обработки и баланс напряжений во время удаления материала. Неправильное планирование траектории движения инструмента приводит к деформации деталей, изготовленных на станках с ЧПУ, на любом станке.
Какова минимальная толщина стенки, которую я могу надежно обработать без деформации?
Универсального значения не существует. Оно зависит от материала, высоты стенки, усилий при резке и требований к допускам. Для алюминия безопасным начальным правилом является толщина 1 мм на каждые 20 мм высоты.
