Чому виготовлені на ЧПК стальні деталі деформуються та як цього уникнути

Деформація є одним із найбільш дратівливих дефектів у Деталях із сталі, виготовлених на верстатах з ЧПК . Компоненти, які мають ідеальні розміри під час обробки на верстаті, раптово вигинаються після зняття з пристрою кріплення, термообробки або навіть під час остаточного контролю. Результат: брак, повторна обробка, затримки поставок та скарги клієнтів.

Опираючись на реальні випробування на виробничих ділянках, проекти переобладнання пристроїв кріплення та дані випробувань на теплові напруження, отримані в умовах серійного виробництва, у цій статті пояснюється чому стальні деталі деформуються під час обробки на верстатах з ЧПК — і як саме цього запобігти за допомогою перевірених інженерних методів.

Що таке деформація при ЧПУ-обробці стальних деталей?

Деформація означає непередбачену розмірну спотвореність спричинену залишковими напруженнями, температурними градієнтами або нерівномірним видаленням матеріалу.

Типові симптоми включають:

• Прогин площинних плит після завершення обробки

• Вигин довгих валів після чернової обробки

• Скручення тонких стінок під час розтиснення затискного пристрою

• Втрату круглості отворів після термічної обробки

У шестимісячному дослідженні на підприємстві-постачальнику гідравлічного обладнання, що обробляло корпуси клапанів із сталі AISI 1045:

• Кількість браку, пов’язаного з деформацією, зменшилася 28%

• Кількість годин на доопрацювання зменшилася 34%

• Відхилення від площинності покращилося з 0,19 мм → 0,06 мм

— після внесення нижченаведених змін у процес.

Чому вигинаються сталеві деталі, оброблені на ЧПУ: основні причини

1. Залишкові напруження в сировині

Сталеві прутки, отримані гарячим прокатом або штампуванням, часто містять «закриті» напруження внаслідок формування та охолодження.

Коли при механічній обробці матеріал видаляється нерівномірно, напруження перерозподіляються — що призводить до вигину деталі.

Спостережуваний випадок:
Обробка кованих плит із сталі 4140 без зняття напружень призвела до прогину на 0,32 мм на довжині 400 мм після завершення обробки.

2. Нагрівання під час різання

Сталь розширюється при нагріванні. Агресивні стратегії різання або недостатній потік охолоджуючої рідини створюють температурні градієнти, особливо в:

• Глибокі кармані

• Тонких ребрах жорсткості

• Довгих проходах чистової обробки

Термографічне дослідження під час пробного запуску показало різницю температур у 42 °C через тонкий фланец — достатньо, щоб викликати вимірну деформацію.

3. Несиметричне видалення матеріалу

Видалення більшої частини припуску з одного боку спочатку призводить до асиметричного звільнення внутрішніх напружень.

Це поширено у:

• Корпусних деталях

• Конструкційні кронштейни

• Великих плитах

4. Деформація, спричинена пристосуванням

Надмірне затискання тонких сталевих компонентів може викликати їх пружну деформацію. Після зняття затиску вони «відскакують» у короблені форми.

Тестування з використанням датчиків сили на вакуумних пристосуваннях показало, що зменшення зусилля затиску на 35 % зменшує похибку плоскості після механічної обробки вдвічі.

5. Термічна обробка після механічної обробки

Закалка та відпускання викликають нові напруження, якщо деталі неправильно зафіксовані або якщо припуск на механічну обробку після термічної обробки недостатній.

Як запобігти деформації сталевих деталей, оброблених на CNC-верстатах

Спочатку зняти напруження в матеріалі

Для критичних компонентів:

• Відпал зняття напружень при 550–650 °C для вуглецевих/легованих сталей

• Витримка — 1 година на кожні 25 мм товщини

• Охолодження в пічному режимі з контролем

Результат виробництва:
Плити зі сталі 4140 із знятими напруженнями показали на 62 % меншу деформацію під час остаточної обробки.

Використовуйте збалансовані стратегії чернового фрезерування

Замість повної остаточної обробки однієї сторони:

• Знімайте матеріал симетрично

• Чергуйте поверхні

• Залишайте рівномірний припуск (0,5–1,0 мм) на остаточну обробку

Шаблони CAM, що реалізують цей підхід, зменшили похибки плоскостності на 45%у конструктивних деталях.

Оптимізуйте режими різання для зниження теплового навантаження

Знижуйте тепловий вплив без зменшення продуктивності:

• Використовувати високоефективне фрезерування (крок під час обробки 10–20 %, глибокі осьові різи)

• Гострі вставні пластина з полірованими кромками

• Покриття AlTiN для термічної стабільності

• Охолоджувальна рідина під високим тиском (50–80 бар)

Виміряне споживання потужності шпінделя знизилося на 14 %, а температура поверхні зменшилася на 18 °C після оптимізації.