Jak efektivně řídit sekundární deformaci způsobenou uvolněním zbytkového napětí při přesném obrábění hydraulických odlitků

Hydraulické odlitky jsou základními součástmi vysoce přesných systémů řízení kapalin, které vyžadují náročnou úroveň přesnosti v procesech frézování, vyvrtávání a honování. Během těchto operací se vlastní zbytkové napětí v odlitku redistribuuje a uvolňuje při odstraňování materiálu. Tento jev způsobuje sekundární deformaci, která přímo ohrožuje přesnost polohy, geometrické tolerance a maximální těsnicí výkon vnitřních olejových kanálů a otvorů ventilů. Řízení této deformace je jednou z nejvýznamnějších technických výzev ve výrobě hydraulických komponent.

Analýza zdrojů zbytkového napětí v odlitcích

Pochopení toho, jak se tvoří zbytkové napětí, je primárním krokem při řízení sekundární deformace. Zbytkové napětí v hydraulických odlitcích pochází hlavně ze tří fází:

1. Tuhnutí odlitku: Nekonzistentní rychlost ochlazování mezi tlustými a tenkými průřezy vede k různým rychlostem smršťování a dobám fázových transformací v různých oblastech. Toto rozdílné tepelné namáhání je dominantním zdrojem zbytkového napětí.

2. Zadržování jádra a plísní: Složité vnitřní olejové kanály často vyžadují složité struktury jádra. Pevné omezení vyvíjené jádrem na kov při tuhnutí brání volnému smršťování odlitku a vytváří samovyvážený systém tahových a tlakových napětí uvnitř součásti.

3. Následné zpracování: Operace, jako je vytřepání, odstranění písku, nedostatečné broušení a nesprávné tepelné zpracování, mohou také způsobit dodatečné namáhání struktury odlitku.

Předběžná léčba: Klíč k odstranění nebo stabilizaci zbytkového stresu

Před zahájením jakéhokoli přesného obrábění je nezbytné maximalizovat eliminaci nebo stabilizaci vnitřního zbytkového napětí pomocí metod, jako je tepelné zpracování nebo přirozené stárnutí.

1. Žíhání pro uvolnění napětí

Žíhání pro odlehčení pnutí je nejúčinnější a široce používanou metodou pro zmírnění zbytkového napětí odlitku.

• Mechanismus účinku: Při této zvýšené teplotě výrazně klesá mez kluzu materiálu a zrychluje se atomová difúze. To umožňuje uvolnění vnitřních napětí prostřednictvím mikroskopické plastické deformace.

• Rychlost chlazení: Musí být prosazován řízený, extrémně pomalý proces chlazení pece. Rychlé ochlazení může znovu zavést nové tepelné namáhání, výrazně snížit nebo dokonce potlačit účinek odlehčení od napětí.

2. Přirozené a vibrační stárnutí

• Přirozené stárnutí: Zahrnuje skladování odlitku při pokojové teplotě po delší dobu (několik měsíců nebo dokonce rok). Tato metoda spoléhá na termodynamickou nestabilitu materiálu a tečení, aby se pomalu uvolnilo napětí. Zatímco výsledek je stabilní, doba trvání je pro moderní vysoce efektivní výrobu nepraktická.

• Vibratory Stress Relief (VSR): Technika, která využívá vibrační energii k podpoře relaxace stresu. Vystavením odlitku vibracím specifické frekvence a energie se vnitřním pnutím napomáhá k novému rovnovážnému stavu. Tato metoda je účinná, ale vyžaduje přesné přizpůsobení parametrů vibrací geometrii odlitku.

Strategie kontroly napětí během přesného obrábění

I po předběžné úpravě může zůstat určité zbytkové napětí. Během řezných operací musí být použity specifické strategie pro řízení uvolňování napětí.

1. Segmentace hrubého a dokončovacího obrábění

• Fázové obrábění: Přísně rozdělte proces na fáze hrubého a dokončovacího obrábění. Primárním cílem hrubovacího obrábění je rychlé odstranění většiny přídavku materiálu, obnažení a umožnění částečného uvolnění vnitřních pnutí.

• Střední odlehčení pnutí: U kritických hydraulických odlitků s extrémně těsnými požadavky na deformaci, jako jsou vícestupňová tělesa ventilů, lze vložit střední žíhání pro odlehčení pnutí při nízké teplotě poté, co hrubé obrábění odstraní 80 % materiálu. Tím je zajištěno, že pole napětí je před zahájením dokončovacího obrábění maximálně vyvážené.

2. Symetrické řezání a odstraňování vrstev

• Symetrické řezání: Kdykoli je to možné, používejte symetrické nebo vyvážené řezné dráhy. Vyvarujte se nadměrného nebo lokalizovaného úběru materiálu na jedné straně, který drasticky narušuje rovnováhu napětí a může způsobit ohýbání nebo kroucení odlitku.

• Malá hloubka, více průchodů: Během fáze dokončovacího obrábění použijte malou hloubku řezu a rychlost posuvu a odstraňte zbývající materiál ve více průchodech. To umožňuje uvolnění zbytkového napětí v plynulejším, menším přírůstku, což zabraňuje náhlým rozměrovým skokům spojeným s náhlým uvolněním napětí.

3. Konstrukce přípravku a ovládání upínání

• Flexibilní přípravky: Konstrukce přípravku musí dodržovat zásadu minimální deformace. Používejte flexibilní přípravky s vícebodovou podpěrou a velkými kontaktními plochami, abyste se vyhnuli vytváření nových upínacích napětí na odlitku.

• Sledování upínací síly: Síla upínání pro přesné hydraulické komponenty musí být přesně řízena pomocí momentových klíčů nebo snímačů síly. To zajišťuje, že upínací síla je dostatečná k zajištění obrobku, ale není dostatečně silná, aby vyvolala novou elastickou deformaci.

Techniky měření a kompenzace deformace

Během celého procesu obrábění je velmi přesné měřicí zařízení klíčové pro sledování deformace v reálném čase nebo přerušované.

• Nástroje pro měření: Mezi běžně používané přístroje patří souřadnicové měřicí stroje (CMM), laserové skenery a vysoce přesné číselníkové úchylkoměry. Ty se používají k přesnému posouzení změn geometrických tolerancí, jako jsou kritická umístění vrtání, rovinnost a rovnoběžnost.

• Zpětná vazba dat: Pokud je detekována deformace překračující specifikovaný práh tolerance, musí být data okamžitě předána zpět obráběcímu stroji nebo procesnímu inženýrovi, aby se provedla dynamická kompenzace nebo úprava následných řezných parametrů (např. dráhy nástroje, hloubka řezu). To vytváří uzavřený řídicí systém, který zajišťuje stabilitu v dávkové výrobě.