Тонкостенные детали, тонкостенные отливки и связанные с ними процессы изготовления тонкостенных деталей уже давно признаны основными техническими узкими местами в отрасли прецизионного производства. Широко применяемые в конструкционных элементах облегчённых автомобилей на новых источниках энергии, в фурнитуре для яхт из нержавеющей стали 316, в корпусах высокоточных гидравлических клапанов и других промышленных сценариях, тонкостенные отливки подвержены образованию холодных швов, горячих трещин, усадочной пористости и постоянной деформации на всех этапах литья по выплавляемым моделям и последующей прецизионной обработки с ЧПУ.
В данной статье проанализированы основные причины деформаций при литье и механической обработке тонкостенных заготовок, обобщены целенаправленные стратегии оптимизации технологического процесса и представлены систематические технические рекомендации по стабильному серийному производству высокоточных тонкостенных деталей.
1. Основные причины деформации тонкостенных отливок
Деформационное разрушение тонкостенных отливок обусловлено двумя основными физическими характеристиками: быстрым отводом тепла от тонкостенных конструкций и неравномерным распределением внутренних напряжений. В сочетании с литьё по выплавляемым моделям В зависимости от характеристик и влияния внешних сил при механической обработке причины деформаций подразделяются на деформации, присущие этапу литья, и вторичные деформации, возникающие на этапе механической обработки.
1.1 Деформационные дефекты, возникающие на этапе литья по выплавляемым моделям
- – Недостаточное заполнение формы и локальная концентрация напряжений: В случае тонкостенных полостей площадь контакта расплавленного сплава с керамической оболочкой чрезвычайно велика. Резкое понижение температуры быстро снижает текучесть сплава, что приводит к переливу и образованию дефектов холодного слияния. Неравномерное плавление металла вызывает возникновение асимметричных остаточных напряжений на поверхностях отливки.
- – Горячая трещина, вызванная сопротивлением усадке при затвердевании: Тонкостенные участки затвердевают раньше толстостенных. Затвердевшая тонкостенная матрица растягивается незатвердевшим толстым материалом и жесткой керамической оболочкой. Как только напряжение усадки превышает высокотемпературную прочность сплавов, возникают горячие трещины, вызывающие неравномерные деформации структуры.
- – Несимметричное остаточное напряжение, вызванное охлаждением: Неравномерная толщина стенок приводит к различиям в скорости охлаждения. Внутри отливок накапливаются тепловые и структурные напряжения. После снятия оболочки остаточные напряжения самопроизвольно снимаются в виде коробления, скручивания и общей деформации размеров.
- – Отсекающий питающий канал: Ускоренное затвердевание в тонкостенных участках приводит к перекрытию каналов подачи литника, что и называется «эффектом холодного литника». Внутренняя усадочная полость и усадочная пористость изменяют локальную структурную жесткость, вызывая длительную медленную деформацию готовых отливок.
1.2 Вторичные деформации на этапе прецизионной обработки
Даже качественные тонкостенные литые заготовки подвергаются упругой деформации инструмента и необратимой пластической деформации в процессе обработки на станках с ЧПУ. Основными факторами, вызывающими эти явления, являются неснятые остаточные напряжения в литье, неправильное усилие зажима, неравномерные термические напряжения, возникающие при резании, и асимметричная режущая нагрузка, которые являются главными причинами выхода готовых тонкостенных деталей за пределы допуска по размерам.
2. Систематические технологические решения для контроля деформации тонкостенных отливок
Контроль деформации тонкостенных деталей требует комплексной оптимизации всего технологического процесса, охватывающей подбор состава литейной массы, предварительную термообработку, разработку схемы зажима, подбор параметров резания и программирование траектории обработки. В приведенных ниже таблицах приведена классификация характеристик дефектов и схемы комплексной оптимизации всего технологического процесса для стандартизированных обработка заявки.
Этап деформации: Инвестиционное литье Формирование
Типичные виды деформаций и дефектов: Холодные зазоры, дефекты литья, горячие трещины, деформации от коробления, деформации от усадочной пористости
Механизм образования ядра: Быстрая потеря тепла, неравномерное затвердевание, растягивающее напряжение, вызванное усадкой, закупорка канала подачи
Профилактические меры на этапе литья:
1. Оптимизировать систему литниковых каналов для обеспечения последовательного затвердевания;
2. Надлежащим образом повысить допустимую температуру разливки, чтобы увеличить текучесть сплава;
3. Отрегулировать теплопроводность керамической оболочки для обеспечения оптимальной скорости охлаждения;
4. Оптимизировать расположение литниковых каналов, чтобы избежать отсечения холодных литниковых каналов; 5. Контролировать время извлечения корпуса из формы для снижения напряжений сдерживания
|
Коэффициент влияния механической обработки
|
Риск деформации
|
Оптимизированная технология обработки тонкостенных деталей
|
|---|---|---|
|
Внутреннее остаточное напряжение заготовки
|
Самопроизвольное изменение размеров после удаления материала
|
Обязательный отжиг для снятия напряжений перед механической обработкой; естественное старение или искусственное снятие напряжений после черновой обработки
|
|
Режим зажимной нагрузки
|
Упругий коллапс, деформация при восстановлении после снятия зажима
|
Закрепление с помощью поверхностных сил вместо закрепления с помощью точечно-линейных сил; осевое сжатие вместо радиального сжатия; индивидуально разработанное профильное приспособление, вакуумный патрон и временная опора для заполнения
|
|
Тепло выделения при резке и усилие резания
|
Деформация в результате теплового расширения, прогиб инструмента, вибрация заготовки
|
Применяйте метод высокоскоростной резки с малым подачей (HSM); используйте острые инструменты с покрытием и большим углом наклона; включайте режим фрезерования по восходящей
|
|
Траектория программирования обработки
|
Односторонняя деформация при изгибе под действием силы
|
Разделить черновую и чистовую обработку; использовать симметричную чередующуюся траекторию резания для компенсации асимметричных напряжений
|
3. Основные технические характеристики процессов изготовления тонкостенных деталей
3.1 Предварительная обработка заготовок для литья с целью снятия внутренних напряжений
Отжиг для снятия напряжений является обязательной процедурой для всех тонкостенных отливок перед прецизионной механической обработкой. Этот процесс устраняет сопряженные тепловые и структурные напряжения, возникающие в ходе литьё по выплавляемым моделям охлаждение. Без предварительной обработки перераспределение напряжений, вызванное удалением припуска на резку, приведет к необратимой деформации в процессе обработки на станке, которую невозможно исправить при последующей чистовой обработке.
3.2 Специальная технология вспомогательного зажима для ультратонких заготовок
При закреплении тонкостенных трубчатых, кольцевых и полых деталей с толщиной стенок менее 2 мм обычные трехкулачковые патроны и настольные тиски приводят к образованию вмятин от экструзии и пластической деформации при зажиме. Временные заполнители, в том числе легкоплавкий сплав, парафин и эластичная смола, могут повысить целостную жесткость конструкции.
После завершения механической обработки наполнитель можно расплавить и удалить, не повреждая качество поверхности отливки, что является наиболее эффективным способом подавления вибрации и упругого прогиба ультратонких тонкостенных деталей.
3.3 Оптимизированная стратегия резки для подавления деформации
По сравнению с традиционными параметрами фрезерования, высокоскоростная обработка (HSM) с высокой частотой вращения шпинделя, небольшой глубиной резания и умеренной скоростью подачи позволяет сосредоточить тепло, выделяющееся при резании, в стружке, а не в основной массе заготовки.
При этом фрезерование по восходящей оси создает результирующую силу, действующую вниз, что позволяет плотно закрепить тонкостенные отливки на зажимных приспособлениях и избежать вибрации, вызванной подъемом заготовки при фрезеровании по восходящей оси.
Острые специализированные инструменты снижают сопротивление резанию, что позволяет устранить явление прогиба инструмента, часто наблюдаемое при обработке тонкостенных деталей.
4. Заключение
Контроль деформаций тонкостенных отливок представляет собой системную задачу, охватывающую все этапы жизненного цикла процессов изготовления тонкостенных деталей. Оптимизация на этапе литья направлена на обеспечение баланса между скоростью затвердевания, повышением эффективности заполнения формы и снижением исходных остаточных напряжений; оптимизация на этапе механической обработки основана на снятии градиента напряжений, равномерном зажиме поверхности и применении режима резания с низким выделением тепла и небольшим усилием.
Благодаря сочетанию стандартизированных процесс литья параметры с индивидуальными решениями по обработке приспособлений, Машины Suijin эффективно устраняет такие дефекты, как коробление, растрескивание и отклонения от номинальных размеров в тонкостенных деталях, тем самым обеспечивая соответствие требованиям высокоточного производства компонентов, используемых в сфере новых источников энергии, гидравлического оборудования и морских конструкций из нержавеющей стали.
