Dlaczego części stalowe wykonane metodą CNC ulegają odkształceniu i jak tego uniknąć

Odkształcenie to jedna z najbardziej irytujących wad w Części stalowe obrobione CNC . Elementy, które idealnie spełniają wymagania pomiarowe na maszynie, nagle uginają się po rozłączeniu z uchwytem, po obróbce cieplnej lub nawet podczas końcowej kontroli jakości. Skutkiem tego są odpady, konieczność przeprowadzenia ponownej obróbki, opóźnienia w dostawach oraz skargi klientów.

Opierając się na rzeczywistych testach przeprowadzanych na hali produkcyjnej, projektach modyfikacji przyrządów montażowych oraz danych uzyskanych z badań naprężeń termicznych w warunkach produkcyjnych, w niniejszym artykule wyjaśniono dlaczego części stalowe ulegają odkształceniom podczas obróbki CNC — oraz dokładnie jak tego uniknąć za pomocą sprawdzonych metod inżynierskich.

Czym jest odkształcenie części stalowych w obróbce CNC?

Odkształcenie oznacza niezamierzone zniekształcenie wymiarowe spowodowane naprężeniami resztkowymi, gradientami temperatury lub nieregularnym usuwaniem materiału.

Typowe objawy obejmują:

• Wyginanie się płaskich płyt po ukończeniu obróbki

• Gięcie się długich wałów po toczeniu zgrubnym

• Skręcanie się cienkich ścianek podczas odchwytywania

• Utratę okrągłości otworów po obróbce cieplnej

W sześciomiesięcznym badaniu przeprowadzonym u dostawcy sprzętu hydraulicznego, który obrabiał korpusy zaworów ze stali AISI 1045:

• Odsetek odpadów spowodowanych zniekształceniem zmniejszył się 28%

• Liczba godzin ponownej obróbki zmniejszyła się 34%

• Odchylenie płaskości poprawione z 0,19 mm → 0,06 mm

—po wprowadzeniu poniżej opisanych zmian w procesie.

Dlaczego części stalowe wykonane na frezarce CNC uginają się: główne przyczyny

1. Naprężenia własne w materiale surowym

Hot-rolowane lub kute pręty stalowe często zawierają naprężenia własne powstałe w trakcie kształtowania i chłodzenia.

Gdy toczenie usuwa materiał w sposób nierównomierny, naprężenia przeryglują się — co powoduje wygięcie elementu.

Przypadek obserwowany:
Toczenie płyt stalowych 4140 bez wcześniejszego odprężania spowodowało odkształcenie (wygięcie) o 0,32 mm na długości 400 mm po zakończeniu obróbki.

2. Nagrzewanie się podczas cięcia

Stal rozszerza się pod wpływem temperatury. Agresywne strategie cięcia lub niewłaściwy przepływ chłodziwa powodują gradienty termiczne, szczególnie w przypadku:

• Głębokie kieszenie

• Cienkich żeber

• Długich przejść wykańczających

Obraz termowizyjny uzyskany podczas próbnego uruchomienia wykazał różnicę temperatur wynoszącą 42 °C na cienkim płacie — wystarczającą do wywołania mierzalnego odkształcenia.

3. Nierównomierna obróbka materiału

Usunięcie większości materiału z jednej strony najpierw powoduje asymetryczne uwolnienie naprężeń wewnętrznych.

Jest to typowe w przypadku:

• Elementów obudowy

• Uchwyty konstrukcyjne

• Dużych płyt

4. Odkształcenia wywołane uchwytem

Zbyt silne dociskanie cienkich elementów stalowych może spowodować ich odkształcenie sprężyste. Po zwolnieniu uchwytu elementy „odskakują”, przyjmując krzywiznę.

Badania z wykorzystaniem czujników siły przeprowadzone na uchwytach próżniowych wykazały, że zmniejszenie siły docisku o 35% pozwala skrócić błąd płaskości po obróbce frezarskiej o połowę.

5. Hartowanie i odpuszczanie po obróbce CNC

Hartowanie i odpuszczanie wprowadzają nowe naprężenia, jeśli części nie są prawidłowo podparte lub jeśli zapas materiału na obróbkę końcową po hartowaniu jest niewystarczający.

Jak zapobiegać odkształceniom w stalowych elementach wykonanych metodą CNC

Najpierw odpręż materiał

Dla elementów krytycznych:

• Odprężanie przez wyżarzanie w temperaturze 550–650 °C dla stali węglowych i stopowych

• Wytrzymanie przez 1 godzinę na każde 25 mm grubości

• Chłodzenie w piecu z kontrolowaną szybkością

Wynik produkcji:
Płyty ze stali 4140 po odprężeniu wykazały o 62 % mniejszą deformację podczas obróbki wykończeniowej.

Stosuj zrównoważone strategie toczenia roboczego

Zamiast całkowitego ukończenia jednej strony:

• Usuń materiał symetrycznie

• Przełączaj się między powierzchniami

• Zostaw jednolity nadmiar materiału (0,5–1,0 mm) na obróbkę wykańczającą

Szablony CAM zastosowane zgodnie z tym podejściem zmniejszyły błędy płaskości o 45%w elementach konstrukcyjnych.

Optymalizuj parametry cięcia w celu ograniczenia nagrzewania

Zmniejsz dopływ ciepła bez utraty wydajności:

• Zastosuj frezowanie wysokiej wydajności (przesunięcie 10–20 % średnicy frezu, głębokie cięcia osiowe)

• Ostrza o ostrej krawędzi tnącej z polerowanymi krawędziami

• Powłoki AlTiN zapewniające stabilność termiczną

• Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem (50–80 bar)

Zmierzony pobór mocy wrzeciona zmniejszył się o 14%, a temperatura powierzchni spadła o 18°C po zoptymalizowaniu.