?
«ВМС»металлообработка
и инструмент
Время в Москве: --:--[email protected]
ул. Электродная, д. 9, стр. 2
Главная » Статьи » Механическая обработка » Обработка тонкостенных деталей без деформаций

Обработка тонкостенных деталей без деформаций

Рубрика: Механическая обработка

Тонкостенные детали — гильзы, втулки, обечайки, корпуса приборов, кольца подшипников, крышки и пластины — одна из самых капризных групп в механической обработке. Деталь может быть идеально точной, пока зажата в патроне, и потерять форму сразу после разжатия. Стенка отжимается под фрезой, вибрирует, нагревается и коробится. Получить такую деталь точно и стабильно можно только при комплексном подходе: правильном закреплении, режимах, последовательности операций и работе с внутренними напряжениями. Разберем, откуда берутся деформации и как с ними справляются на практике.

Какие детали считаются тонкостенными

Строгой границы нет, но на практике тонкостенной считают деталь, у которой отношение толщины стенки к характерному размеру мало и жесткости недостаточно, чтобы противостоять силам закрепления и резания без заметной деформации. Ориентиры:

Чем ниже модуль упругости материала, тем раньше проявляются проблемы: алюминиевые и титановые сплавы деформируются при меньших усилиях, чем стали.

Причины деформаций

Деформации от закрепления

Самая частая причина брака. Трехкулачковый патрон сжимает тонкое кольцо в трех точках, превращая его в «трехгранник». Отверстие растачивается идеально круглым, но после разжатия кольцо возвращается в исходную форму, и отверстие становится огранкой с тремя выступами. Аналогично тиски выгибают тонкую пластину.

Деформации от сил резания

Стенка отжимается под действием радиальной составляющей силы резания. Чем дальше от опоры, тем больше отжатие, поэтому стенка получается толще у края и тоньше у основания или наоборот. Нестабильный отжим вызывает вибрации, которые оставляют на поверхности характерную волну.

Тепловые деформации

Тонкая стенка быстро прогревается и расширяется. Размер, выдержанный «на горячую», после остывания уходит. Для алюминия, имеющего высокий коэффициент линейного расширения, это особенно заметно: перепад в несколько десятков градусов меняет диаметр 100 мм на несколько сотых.

Остаточные напряжения

Прокат, поковки и литье содержат внутренние напряжения. Когда снимается значительная часть металла, равновесие напряжений нарушается, и деталь коробится. Обработка тоже вносит напряжения в поверхностный слой: наклеп с одной стороны тонкой пластины может изогнуть ее «пропеллером».

Способы закрепления тонкостенных деталей

СпособПринципПрименение
Мягкие (сырые) кулачки, расточенные под размерКонтакт по большой дуге вместо точек, распределение усилияВтулки и кольца при умеренных требованиях
Разрезные кольца и широкие накладкиОхват детали по всей окружностиТонкие кольца, гильзы
Цанговые патроныРавномерное сжатие по окружностиДетали небольшого диаметра
Гидропластовые и мембранные оправки и патроныРавномерное распределенное давление, высокая точность центрированияТочные втулки, кольца, гильзы
Осевое закрепление по торцуСила направлена вдоль оси, где жесткость детали вышеКольца, фланцы, втулки с буртом
Вакуумные столыРавномерное прижатие атмосферным давлением по всей площадиПластины, плоские корпуса, детали из цветных сплавов
Магнитные плитыРаспределенное притяжениеСтальные пластины, шлифование
Заливка легкоплавким сплавом или наполнителемВременное заполнение полостей для придания жесткостиСложные тонкостенные корпуса, мембраны

Принципы правильного закрепления

Важно. Простой прием, который часто спасает точность: черновую обработку выполнять при полном усилии зажима, а перед чистовым проходом ослабить зажим до минимально необходимого и дать детали «вернуться». Чистовой проход снимает небольшой припуск при минимальной деформации, и после разжатия форма практически не меняется.

Технологические приемы

Разделение черновой и чистовой обработки

Это главное правило для тонкостенных деталей. На черновых операциях снимается основной объем металла с оставлением равномерного припуска 0,5–2 мм на сторону. Затем деталь освобождается, «отдыхает» или проходит термообработку для снятия напряжений, после чего выполняется чистовая обработка. Перераспределение напряжений происходит до финальных размеров, а не после.

Симметричный съем металла

При фрезеровании пластин металл снимают попеременно с двух сторон, переворачивая заготовку несколько раз. Так уравновешиваются остаточные напряжения и наклеп. Для корпусов — обработка карманов в чередующемся порядке, чтобы не ослаблять одну сторону раньше другой.

Сохранение жесткости до последнего

Порядок операций строится так, чтобы самые тонкие элементы получали окончательную форму в конце, когда остальная обработка уже завершена. Например, при фрезеровании ребер металл между ними снимают ступенями по высоте, а не каждое ребро на полную высоту: невыбранный материал поддерживает стенку.

Технологические припуски и перемычки

Иногда на заготовке оставляют технологический бурт, кольцо жесткости или перемычки, которые удаляют на последней операции. Бурт служит и для закрепления, и для придания жесткости тонкой части.

Режимы резания и инструмент

Для тонкостенных деталей приоритет — минимальные силы резания, а не максимальная производительность.

Работа с внутренними напряжениями

Стабильность формы детали со временем зависит от того, насколько полно сняты внутренние напряжения.

1

Выбор заготовки

Предпочтение отдается материалу в состоянии с минимальными напряжениями: отожженный прокат, плиты со снятыми напряжениями растяжением.

2

Черновая обработка

Снимается основная масса металла, деталь приближается к конечной форме с равномерным припуском.

3

Стабилизирующая термообработка

Отжиг или старение снимают напряжения, высвобожденные черновой обработкой. Для точных деталей иногда выполняют несколько циклов.

4

Получистовая и чистовая обработка

Деталь доводится до размеров при минимальных силах закрепления и резания.

Для закаленных тонкостенных деталей (например, колец и втулок) коробление при закалке неизбежно, поэтому окончательные размеры выводят шлифованием после термообработки. Подробнее о вариантах термообработки — в разделе термической обработки.

Альтернативные методы обработки

Если механическая обработка резанием не обеспечивает требуемой точности тонких элементов, применяют методы без силового воздействия на деталь. Электроэрозионная проволочная резка позволяет вырезать тонкие перегородки, пазы и контуры без сил резания и без деформаций от закрепления. Это особенно эффективно для закаленных материалов, где фрезерование тонких элементов невозможно. Подробнее — на странице электроэрозионной обработки.

Контроль тонкостенных деталей

Измерять тонкостенную деталь нужно в свободном состоянии, после снятия со станка и выравнивания температуры. Контактный измерительный инструмент с большим усилием сам деформирует стенку, поэтому используют приборы с малым измерительным усилием, бесконтактные методы, координатно-измерительные машины. Если деталь в изделии работает в закрепленном состоянии (например, кольцо, запрессованное в корпус), в чертеже стоит указать условия контроля: в свободном состоянии или в оправке, имитирующей посадку.

Рекомендации конструктору

  1. Предусматривать ребра жесткости, буртики и фланцы, если это допустимо по функции.
  2. Не назначать одинаково жесткие допуски на всю деталь: точность нужна на сопрягаемых поверхностях.
  3. Указывать условия контроля формы — в свободном или закрепленном состоянии.
  4. Допускать технологические элементы для закрепления, удаляемые на финальной операции.
  5. Делать радиусы в углах карманов и у основания стенок, а не острые углы.

Особенности по материалам

МатериалГлавный рискЧто помогает
Алюминиевые сплавыТепловое расширение, коробление плит из-за напряжений, вмятины от кулачковПлиты со снятыми напряжениями, вакуумное крепление, обильное охлаждение, острые полированные фрезы
Нержавеющие сталиНаклеп поверхности и изгиб тонких пластин, налипаниеОстрый инструмент, постоянная подача без «трения», симметричный съем с двух сторон
Титановые сплавыНизкая жесткость, отжим и вибрации стенокМалые шаги по высоте, фрезы с переменным шагом, подпорки, стабилизирующий отжим
Конструкционные стали под закалкуКоробление при термообработкеРавномерные стенки, припуск под шлифование, закалка в приспособлениях
Бронзы и латуниДеформация от зажима из-за низкой твердостиМягкие кулачки, осевое закрепление, малое усилие зажима

Пример техпроцесса тонкостенной втулки

Рассмотрим втулку из стали с наружным диаметром 120 мм, длиной 80 мм и стенкой 3 мм, где требуется круглость отверстия в пределах 0,01 мм. На первой операции из толстостенной заготовки выполняется черновое точение наружного диаметра и отверстия с припуском 1 мм на сторону, при этом заготовка остается достаточно жесткой. Затем деталь проходит отжиг для снятия напряжений. Получистовая обработка выполняется в расточенных под размер мягких кулачках с оставлением 0,2–0,3 мм. Окончательная обработка отверстия ведется в патроне с охватом по всей окружности или на оправке с осевым зажимом по торцу, на свежей пластине с острой кромкой и малым радиусом. Наружный диаметр доводится в последнюю очередь на разжимной оправке по уже готовому отверстию, что обеспечивает и соосность, и минимальную разностенность.

Выводы

Деформации тонкостенных деталей возникают от закрепления, сил резания, нагрева и остаточных напряжений. Справиться с ними позволяет комплекс мер: распределенное закрепление с минимальным усилием, разделение черновой и чистовой обработки, симметричный съем металла, стабилизирующая термообработка, острый инструмент и правильные режимы. Конструктор, в свою очередь, может заметно облегчить задачу, предусмотрев элементы жесткости и разумные допуски.

«ВМС» изготавливает тонкостенные втулки, кольца, корпуса и пластины по чертежам заказчика, подбирая оснастку и технологию под конкретную деталь. Отправьте чертеж — мы оценим риски деформаций и предложим решение.

Отправить заявку

« Предыдущая статья Следующая статья »