Модулированный токарный станок с ЧПУ: как изменение направления движения инструмента может обеспечить большую скорость обработки

Длинные нити, такие как это, потенциально могут быть проблемой при любой операции токарной обработки, но они тем более проблематичны, когда меры предосторожности против радиационного воздействия не позволяют операторам легко их очистить.

Предполагаемый бенефициар этой работы — комплекс национальной безопасности Y-12 в Ок-Ридже, штат Теннесси, производственный объект Министерства энергетики США, занимающийся ядерным оружием. Поскольку Y-12 обрабатывает радиоактивные материалы, ломка стружки является жизненно важной проблемой — возможно, самой важной проблемой в процессе обработки. Из-за опасности воздействия оператор не может взаимодействовать с процессом для очистки стружки или замены инструмента так же легко, как эти шаги могут быть выполнены для другого процесса обработки. Для операции токарной обработки, нацеленной на обработку радиоактивных деталей в полусферические формы, Y-12 искал способ разрушения стружки, который был бы еще более последовательным и надежным, чем использование форм стружколома режущих инструментов. Ключом к этому считалось включение инструмента в возможность многократного выхода из надреза — буквально разрывающего контакта снова и снова.

Предыдущий исследователь UNCC Скотт Смит (сейчас из Национальной лаборатории Ок-Риджа) начал работу, обнаружив, что одного запрограммированного движения с ЧПУ может быть достаточно для обеспечения этого многократного изменения пути. Постпроцессор, который он помог разработать, добавляет повторяющиеся обращения в запрограммированный путь в соответствии с амплитудой и частотой, выбранными программистом. Полусферический поворот деталей Y-12 включает в себя интерполяцию по осям X и Z, при этом развороты на пути следуют по той же интерполированной кривой. Параметры для инверсий разрушения чипа находятся в диапазоне от 0,5 до 3,0 инверсий в секунду (частота), при этом типичное изменение составляет отступ 0,005 дюйма (амплитуда) назад вдоль пути.

Доктор Шмитц занялся исследованиями после того, как был доказан эффект разрушения чипов. Он исследовал влияние на чистоту поверхности, но также исследовал другие положительные эффекты помимо целей Y-12. «Амплитуда и частота этих разворотов теперь являются дополнительными ручками, которые мы можем повернуть, чтобы повлиять на процесс», — говорит он. И одно из улучшений, которое может дать настройка этих ручек, — это повышение производительности.

Вот видео, показывающее модулированный поворот в действии:

Отделка и производительность
Что касается отделки поверхности, инструмент, отступающий и продвигающийся при резании, обеспечивает более грубую отделку, чем непрерывная резка. Важно, однако, что ущерб является последовательным — это означает, что его можно преодолеть с помощью последовательного последующего шага. Работая с нержавеющей сталью 304 (точная замена радиоактивного материала), доктор Шмитц и г-н Копенхавер исследовали эффективность «пружинного прохода» для улучшения окончательной отделки. Пружинный ход — это просто та же самая траектория движения инструмента с тем же инструментом, без изменения положения, что позволяет режущей кромке удалять мелкие количества дополнительного материала. Испытания включали в себя непрерывную резку с пружинными проходами и без них, а также модулированное точение с пружинным проходом и без него, в том числе модулированное точение. Полученные результаты позволяют предположить, что модулированный поворот, за которым следует немодулированный пружинный проход, обеспечивает чистовую обработку, такую ​​же или почти такую ​​же хорошую, как и резка с постоянной подачей.диаграмма лепестков устойчивости при повороте
Диаграмма лепестка устойчивости при повороте обычно может выглядеть следующим образом. График показывает глубину резания в зависимости от скорости вращения; стабильная резка находится ниже этих линий. Таким образом, разные скорости могут обеспечить стабильность на разных глубинах резания. Но все это предполагает непрерывную подачу. Модулированное вращение может учитывать различные глубины при заданной скорости.

Но теперь о влиянии на производительность. Д-р Шмитц говорит, что в процессе точения и во всех процессах изготовления чипов скорость удаления металла ограничена недооцененным явлением «регенерации волнистости». Это тенденция к волнам, оставляемым в поверхности при проходах обработки, для создания изменения силы резания, которое усиливает колебания, связанные с гармоническими характеристиками станка и всей системы обработки. Эффект самоусиления приводит к вибрации, и при определенных сочетаниях скорости и глубины резания он создает вибрацию, достаточно большую, чтобы препятствовать продуктивной обработке, и быстро приводит к выходу инструмента из строя. Когда параметры резки слишком агрессивны, регенерация волнистости часто является причиной того, что эта комбинация параметров не работает.

Тем не менее, модулированное вращение — программирование траектории инструмента так, что режущая кромка поворачивается, возможно, два или три раза при каждом обороте детали — имеет эффект прерывания этой регенерации. Таким образом, набор параметров, которые раньше могли быть слишком агрессивными, может стать достаточно стабильным для эффективной резки, пока развороты являются частью пути. Таким образом, постобработка траектории инструмента только для введения модулированного точения может позволить набор ранее слишком агрессивных параметров эффективно резать без какого-либо изменения инструмента, скорости, глубины резания или номинальной скорости подачи. Исследователи UNCC продемонстрировали это, и этот график иллюстрирует вывод:

график стабильной и нестабильной резки на разных частотах и ​​амплитудах для модулированного точения
Этот график двух модулированных параметров поворота — колебания на оборот (OPR) в зависимости от относительной амплитуды подачи (RAF) — показывает эффект модулированного поворота при заданном наборе параметров резки. Проиллюстрированные условия резания: скорость 400 футов / мин, скорость подачи 0,003 дюйма в минуту и ​​глубина резания 0,1772 дюйма в стали 1026. Зеленая область графика нестабильна. Без модулированного поворота (OPR = 0, RAF = 0) этот разрез при этих параметрах является нестабильным. Однако при модулированном повороте OPR = 1,5 и RAF = 1 одинаковые параметры резки обеспечивают стабильную резку.

Техника введения нового колебания, чтобы обойти пределы других колебаний в системе, выходит за рамки целей текущего спонсора для модулированного поворота. Ядерный производитель хочет безопасный и предсказуемый процесс, не обязательно более продуктивный. Но у других производителей очевидно, что производительность является приоритетом. Для них токарная обработка с модуляцией может увеличить потенциальную производительность существующих токарных станков, позволяя увеличивать параметры резки без установки вибрации. Это потенциально может быть доступной для любого токарного станка с ЧПУ для более быстрой резки, поэтому доктор Шмитц говорит, что следующий шаг с этим исследование состоит в том, чтобы найти ориентированных на производство спонсоров, позволяющих его команде дополнительно изучить это преимущество и расширить его, чтобы выяснить, каковы могут быть ограничения этой техники.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *