Термическая обработка и баланс производительности при обработке станков с ЧПУ: руководство по выбору процесса
Многие инженеры обнаружили, что необработанные инструментальные стали, такие как H13 или D2, которые обычно имеют твердость в диапазоне HRC 32-35, износ инструмента резко возрастает при прямом фрезеровании или точении с ЧПУ, а поверхность (Ra) не стабилизируется на уровне 0,8 мкм. Для достижения идеальных механических свойств и эффективности обработки необходимо глубокое понимание различий между «твердостью в предварительно обработанном состоянии» и «твердостью в конечном термическом состоянии». В данной статье рассматривается логика термической обработки различных марок сталей инструментов до и после обработки с ЧПУ, а также предлагаются технические решения на основе допуска ±0,01 мм.
Различия марок стали ключевых инструментов и их характеристик резания
Выбор подходящей инструментальной стали является необходимым условием для успешной обработки. Различные сплавы определяют форму карбида и твердость матрицы, что напрямую влияет на параметры резания с ЧПУ. Ниже приведены три высокотвердотельных инструментальных стали, которые используются в производстве, и их ключевые характеристики:
- 1.2379 H13 (горячая сталь)Сталь с хромомолибденовым горячим, вязким и ударостойким. Предварительно обработанные состояния обычно находятся в отожженном состоянии (HRC 24-28) или в регуляторном состоянии. Подходит для фрезерования на ЧПУ сложных полостей, но с учетом контроля деформации после высокотемпературного отпуска.
- 1,2311 D2 (холодная сталь)Высокохромированная сталь с высокой износостойкостью, но низкой теплопроводностью. Твердость после закалки достигает HRC 60-62. Прежние состояния предварительной обработки (HRC 20-24), при обработке с ЧПУ необходимо снизить скорость подачи для предотвращения образования стружки.
- SKD11 / L2: Легко резание холодной стали, из-за сульфидного включения, производительность резания лучше обычного D2, тонкая стружка подходит для небольших партий высокоточных деталей.
Для D2 и H13 рекомендуется, чтобы материал находился в отожженном или стандартизованном состоянии до тонкой обработки на ЧПУ. Обычный твердосплавный инструмент быстро выходит из строя, и это возможно только с помощью CBN (кубического эльборового борода), но это дорого и подходит только для конкретных сценариев шлифования, а не для фрезеровки сложных профилей.
Механизм влияния процесса термической обработки на точность обработки с ЧПУ
Термообработка изменяет не только твердость, но и динамические свойства резания через металлографическую ткань. В процессе обработки с ЧПУ три ключевые переменные: усилие резания, смещение инструмента и высвобождение остаточного напряжения заготовки.
Логика выбора состояния предварительной обработки
В большинстве инженерных применений грубая и полутонкая обработка с ЧПУ выполняется в отожженном состоянии, чтобы обеспечить срок службы инструмента и скорость обработки. В это время твердость ниже (HRC 20-28), стружка имеет непрерывную ленту и плавный отвод стружки. Но если проектные допуски очень жесткие Для крупногабаритных крупногабаритных размеров H13 коэффициент теплового расширения составляет около 12,5 х 10 км/К, и изменение размеров, вызванное изменением температуры, должно быть компенсировано резервным запасом.
Доступность конечной твердости
После надлежащей закалки и отпуска окончательная твердость H13 стабилизируется на уровне HRC 48-52, а D2-на уровне HRC 60-62. Следует отметить, что распределение остаточных напряжений на поверхности, обработанной с ЧПУ, может повлиять на срок службы деталей при изменении нагрузки.
Стратегии согласования параметров обработки с ЧПУ и состоянием термической обработки
Для эффективной и стабильной обработки в серийном производстве необходимо регулировать скорость вращения шпинделя (S) и скорости подачи (F) в зависимости от текущего состояния твердости материала. Ниже предлагаются типичные параметры для отожженных состояний D2 и H13 (на основе твердосплавных концевых фрез ISO 2068-M3 диаметром 10 мм):
| Марки материала | Текущая твердость | Рекомендуемая скорость вращения (об/мин) | Рекомендуемая подача (мм/мин). | Тип режущей жидкости | Предполагаемая шероховатость поверхности Ra |
|---|---|---|---|---|---|
| D2 (отожжение) | HRC 20-24 | 800 - 1000 | 150 - 250 | Водорастворимые эмульсии (высокое давление) | 1.6-3,2 мкм |
| H13 (отжиг) | HRC 24-28 | 700 - 900 | 120 - 200 | Водорастворимые эмульсии (высокое давление) | 1.6-3,2 мкм |
| H13 (регулировка) | НСК 30-35 | 500 - 700 | 80 - 150 | Полностью синтетическое резающее масло (низкая температура) | 0.8-1,6 мкм |
Ключевые советы:При твердости материала, превышающей HRC 35, рекомендуется переключаться на низкотемпературное полностью синтетическое масло, чтобы лучше контролировать теплоту трения и предотвратить термический износ инструмента. Для требований к высокой чистоте поверхности (Ra 0,4 мкм ниже) необходимо внедрить процесс шлифовки или шлифования после полутонкой обработки с ЧПУ, чтобы избежать использования только ЧПУ для восстановления зеркала.
Обычные модели отказа и схемы обхода
В реальном производстве сталь для инструментов обработки с ЧПУ часто имеет три типа отказов, которые требуют целенаправленного обхода:
- 1.Ножницы для разгрузки:Больше всего происходит при обработке режима H13, если слишком высокая подача приводит к колебанию толщины резания, микротрещина расширяется в месте ножа.Избегать:Поддерживать постоянное количество ножа, избегая прерывистого резания; выбрать инструмент с большим положительным углом для усиления прочности лезвия.
- 2.Поверхностные ожоги:При обработке D2, при недостаточном расходе режущей жидкости или местном сухом резании, высокотемпературный мартенсит может привести к понижению твердости поверхности (явление белого слоя).Избегать:Обеспечить зону прямого резания режущей жидкости высокого давления, контролировать ток главной оси, аномальное повышение или контроль остановки.
- 3.Небольшие отклонения размеров:После термической обработки дрейф размеров превышает зону допуска.Избегать:Строго выполнять процесс «резервный запас ЧПУ + шлифовальный шлифовал»; для критических размеров посадки после термообработки с помощью трехкоординатного измерительного прибора (CMM) и регулировать последующую шлифовацию по значению CPK.
От отбора проб к партии: замкнутый контур управления допуском и контроля
Гарантия единообразия партии является ключом к различению обычных обрабатывающих предприятий и прецизионных заводов. Мы используем трехступенчатую систему контроля качества «первое подтверждение + контроль» технологического процесса + полный контроль отгрузки. На этапе обработки с ЧПУ особое внимание уделяется стабильности размеров ключевых характеристик, используя онлайн-оптическое измерение или устройство шероховатости для отбора проб. Для деталей с высокой точностью (±0,01 мм) рекомендуется добавить процесс отжига по снятию напряжения после очистки с ЧПУ, чтобы высвободить внутренние силы, возникающие при резании, и предотвратить незначительные деформации готовой продукции в процессе эксплуатации. Кроме того, очистка от ЧПУ до обработки поверхности (например, анодирование и пескоструйная обработка) напрямую определяет качество внешнего вида. Достижение безцарапины и высокой яркости зависит от оптимизации траектории инструмента и управления чистотой системы охлаждения.
Как выбрать наиболее подходящий режим обработки с ЧПУ для высокотвердотельных инструментов?
Предпочтительно для обработки с ЧПУ в отжиженном или стандартизованном состоянии, конечная твердость достигается за счет последующей термической обработки. фрезерование с ЧПУ с частотой HRC 50 и выше является чрезвычайно дорогостоящим и рискованным и рекомендуется только для плоского шлифования или специальных машин CBN.
D2 и H13 при обработке с ЧПУ, что сложнее?
D2, как правило, сложнее из-за более жесткого и более тонкого распределения карбида, а также из-за низкой теплопроводности, который может привести к перегреву лезвия. H13 имеет более высокую прочность, но большую силу резания в регулированном состоянии. Оба должны работать в отожженном состоянии для обеспечения лучшей долговечности инструмента.
Как предварительно компенсировать деформации размеров после термической обработки?
В зависимости от марки материала, толщины стенки детали и кривых термообработки, запас деформации резервируется с помощью моделирования САПР/CAE или базы данных прошлого опыта. Обычно расширение в плоскости является более значительным, при этом необходимо резервировать 0,3 - 0,5% для компенсации размеров и окончательная коррекция производится шлифованием.
Можно ли завершить закалку непосредственно на ЦПУ?
Нет. Станки с ЧПУ не имеют возможности индукционной закалки или криогенной обработки жидкого азота. Термическая обработка осуществляется на специализированных термообрабатывающих заводах, а цех с ЧПУ отвечает за проверку состояния до тонкой обработки и резервирование запаса после обработки.
Как обеспечить отсутствие царапин на поверхности при производстве?
Ключевыми являются плавный переход по траектории инструмента, постоянные параметры резания и степень фильтрации охлаждающей жидкости. Мы используем инструменты с высоким блеском и снижаем скорость подачи на этапе тонкой обработки, чтобы обеспечить шероховатость поверхности Ra 0,4 мкм и устранить микроскопические царапины.
Выводы и предложения в отношении действий
Обработка инструментальных сталей с ЧПУ не является простым процессом резания, а системная инженерия, сочетающая состояние термической обработки, материал инструмента и параметры резания. Понимание характеристик резания материала при различных твердостях и разумное резервирование запаса для термической обработки является основой для обеспечения точности ±0,01 мм и высокой обработки. Если вы столкнулись с трудностями в обработке деталей из инструментальной стали, непоследовательностью партии или большим количеством поверхностных дефектов, то мы предлагаем чертежи и технические спецификации. Наша команда инженеров предоставит вам рекомендации по DFM (дизайн, пригодный для производства) и решения по всем параметрам процесса, начиная от выбора материала и подтверждения состояния термической обработки до очистки с ЧПУ, что поможет вам достичь высокого качества и эффективности производства.
