Механическая обработка бронзовых заготовок на станках с числовым программным управлением требует строгого разделения металлов по технологическим группам. Свойства литейных оловянных сплавов БрОЦС5-5-5 кардинально отличаются от высокопрочных алюминиевых марок БрАЖ9-4 и дисперсионно-твердеющей бериллиевой бронзы БрБ2. На нашем фрезерном участке мы настраиваем режимы резания с учетом теплопроводности материала, подбираем геометрию твердосплавного инструмента и подаем СОЖ для стабильного получения шероховатости Ra 0.4–0.8 мкм.
Классификация бронзовых сплавов и механизм стружкообразования
Бронзовые сплавы разделяют на три основные технологические группы по характеру стружкообразования и удельной силе резания. Первая группа объединяет деформируемые и литейные оловянные бронзы БрОФ6.5-0.15, БрОФ7-0.2 и БрОЦС5-5-5 с твердостью 60–90 HB. Свинец и цинк в структуре выполняют функцию внутренней смазки. Стружка сходит в виде мелких сыпучих чешуек или коротких сегментов надлома. Процесс сопровождается умеренными нагрузками на фрезерный станок, но требует непрерывного смыва шлама из рабочей зоны.
Присутствие эвтектоида дельта-фазы Cu31Sn8 в структуре оловянных отливок увеличивает хрупкость срезаемого слоя. Металл не образует нароста на лезвии, но мелкие твердые включения способствуют микроабразивному износу режущей кромки. Своевременное удаление стружки предотвращает ее повторное измельчение в пазах.
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-1050 G3
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-1050 F4
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-845 G3
Вторую группу формируют безоловянные алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрА9Ж3Л и БрАЖМц10-3-1.5. Предел прочности таких сплавов достигает 600–750 МПа при твердости 130–180 HB. Высокая вязкость и наличие интерметаллидных включений железа создают прочную сливную ленточную стружку. Металл интенсивно налипает на режущую кромку. Зубья испытывают сильный абразивный износ, а резание сопровождается высоким тепловыделением в контактной зоне.
Третью группу составляют дисперсионно-твердеющие бериллиевые бронзы марок БрБ2 и БрБНТ1.9. В отожженном состоянии прокат имеет твердость 130–160 HB. Но после закалки с 780 °C и искусственного старения при 320 °C твердость заготовки возрастает до 35–42 HRC. Материал приобретает пружинные свойства и высокий предел текучести. При фрезеровании тонкие концевые фрезы испытывают радиальный отжим, поэтому технологи закладывают повышенную жесткость технологической оснастки.
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ ХАРАКТЕР СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ И СИЛЫ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ БРОНЗЫ │ │ │ │ Оловянные сплавы (БрОЦС, БрОФ) Алюминиевые сплавы (БрАЖ, БрАМц) │ │ Сыпучая стружка надлома Вязкая сливная стружка │ │ ▼ ▼ ▼ ▲ ▲ │ │ ░░ ░░ ░░ (чешуйки) / / (сплошная лента) │ │ ───────────────────── ────────/────────── │ │ Передний угол γ = +4°...+6° Передний угол γ = +8°...+14° │ │ Низкая склонность к наросту Интенсивное налипание металла │ └────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
| Группа сплава | Марка по ГОСТ | Твердость (HB / HRC) | Предел прочности Rm, МПа | Тип стружки |
|---|---|---|---|---|
| Оловянно-фосфористая | БрОФ6.5-0.15 | 75–90 HB | 380–450 | Элементная / надлома |
| Оловянно-свинцовая | БрОЦС5-5-5 | 60–75 HB | 200–260 | Мелкодисперсная сыпучая |
| Алюминиево-железистая | БрАЖ9-4 | 130–160 HB | 600–700 | Сливная вязкая лента |
| Алюминиево-марганцевая | БрАЖМц10-3-1.5 | 140–180 HB | 650–750 | Сливная высокопрочная |
| Бериллиевая (состаренная) | БрБ2 | 35–42 HRC | 1150–1350 | Сегментная сдвиговая |
При обработке оловянных бронз со свинцом стружка легко ломается, но мелкие частицы забивают стружечные канавки фрез малого диаметра при недостаточной подаче смазочно-охлаждающей жидкости.
Геометрия твердосплавных фрез и инструментальные материалы
Для производительного фрезерования бронзовых заготовок на станках с ЧПУ используют монолитные концевые фрезы VHM из мелкозернистых твердых сплавов групп ISO K10–K20 и ISO N. Субмикронный размер зерен карбида вольфрама 0.4–0.8 мкм с кобальтовой связкой 6–8% обеспечивает высокую прочность режущей кромки на изгиб при сохранении твердости на уровне 91–93 HRA. Твердый сплав такого класса стабильно держит ударные нагрузки при врезании в литейную корку.
Геометрические параметры режущей части подбирают под химический состав заготовки. При обработке вязких сплавов БрАЖ9-4 передний угол gamma затачивают острым в диапазоне от +8° до +14°. Для хрупких оловянных марок БрОФ и БрОЦС передний угол делают более пологим — от +4° до +6°. Задний угол alpha выдерживают в пределах 10°–14° для снижения трения инструмента о поверхность детали.
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-855S
FPV-30G фрезерный станок с ЧПУ
Фрезерный станок с ЧПУ RS 6090TT
Радиус округления режущей кромки r-beta не должен превышать 4–6 мкм. Чрезмерное скругление кромки переводит процесс резания в режим пластического деформирования и поверхностного наклепа. Винтовая канавка с углом подъема спирали omega 35°–40° обеспечивает мягкий безударный вход каждого зуба в металл.
Угол наклона винтовой канавки omega выбирают равным 35°–40°. Полировка стружечных канавок до шероховатости Ra не более 0.05 мкм предотвращает пакетирование чешуйчатой стружки и снижает адгезионное трение. На чистовых операциях мы применяем фрезы со специальной подготовкой режущей кромки:
- Полированные фрезы без покрытия для чистовой обработки оловянных бронз БрОЦС и БрОФ.
- Фрезы с износостойким PVD-покрытием TiN и TiCN для пазования заготовок средней вязкости.
- Многослойные покрытия AlCrN и TiAlN с микротвердостью до 35 ГПа для жаропрочных сплавов БрАЖ и БрБ2.
- Алмазоподобные углеродные покрытия DLC для сверхчистовой контурной обработки без наростообразования.
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ РЕКОМЕНДУЕМАЯ ГЕОМЕТРИЯ ЗУБА ФРЕЗЫ ДЛЯ БРОНЗЫ │ │ │ │ Задний угол α = 10°...14° Передний угол γ │ │ ╲ ╱ │ │ ╲ Режущая кромка ╱ БрАЖ: +8°...+14° │ │ ╲ ▼ ╱ БрОФ: +4°...+6° │ │ ▔▔▔▔▔▔\ ╱ │ │ \ ╱ │ │ \ ╱ Зеркальная полировка канавки │ │ \ ╱ Ra ≤ 0.05 мкм │ │ Твердый сплав VHM \__________╱ │ │ (ISO K10-K20 / N) Винтовая канавка ω = 35°...40° │ └────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Подобрать оборудование под вашу задачу
Расчет кинематических параметров и режимов резания
Назначение режимов фрезерования базируется на балансе между производительностью съема и стойкостью инструмента. Скорость резания Vc для оловянных бронз БрОЦС5-5-5 составляет 120–250 м/мин. Для вязких алюминиевых сплавов БрАЖ9-4 скорость резания снижают до 80–160 м/мин. При фрезеровании закаленной бронзы БрБ2 скорость выдерживают в пределах 70–120 м/мин во избежание термического прижога детали.
Подача на зуб fz лежит в диапазоне 0.04–0.12 мм/зуб на черновых операциях и 0.015–0.035 мм/зуб на финишных проходах. Расчет минутной подачи стола станка выполняют по формуле:
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ RABBIT SF-6090
Фрезерный станок с ЧПУ EXT SHG 0404
Фрезерный станок с ЧПУ RABBIT SF-3030
Vf = fz · z · n
где z обозначает количество зубьев фрезы, а частоту вращения шпинделя n определяют через скорость резания и диаметр инструмента D:
n = (1000 · Vc) / (π · D)
Удельное сопротивление резанию kc для бронзовых сплавов составляет 1100–1600 МПа. Необходимую эффективную мощность шпинделя Pe в киловаттах рассчитывают через объемную производительность съема Q:
Pe = (Q · kc) / (60 · 1000 · η) = (ap · ae · Vf · kc) / (6 · 10^7 · η)
В приведенной формуле ap выражает глубину резания в миллиметрах, ae задает ширину фрезерования, а коэффициент полезного действия привода главного движения η принимают равным 0.80–0.85. Программирование траекторий выполняют исключительно по схеме попутного фрезерования. Встречное резание вызывает наклеп контактной поверхности и быстрый износ уголков зубьев.
Для глубоких карманов в корпусах мы используем высокоэффективное трохоидальное фрезерование с малым радиальным перекрытием ae = 0.08–0.12 D и увеличенной осевой глубиной ap до 2.5 D. Такая стратегия снижает угол контакта зуба с материалом, стабилизирует температурный режим резания и продлевает ресурс концевых фрез в 2–3 раза.
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ RS 0609G
Фрезерный станок с ЧПУ RABBIT SF-1212
Фрезерный станок с ЧПУ RS 1313G
| Операция | Марка бронзы | Диаметр фрезы D, мм | Скорость Vc, м/мин | Обороты n, об/мин | Подача fz, мм/зуб | Глубина ap / ae, мм |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Черновое пазование | БрОЦС5-5-5 | 10 (z=3) | 180 | 5730 | 0.06 | ap=5.0 / ae=10.0 |
| Черновое уступами | БрАЖ9-4 | 12 (z=4) | 110 | 2920 | 0.05 | ap=12.0 / ae=3.6 |
| Трохоидальная выборка | БрАЖ9-4 | 10 (z=4) | 190 | 6050 | 0.08 | ap=20.0 / ae=1.0 |
| Получистовая контурная | БрАЖМц10-3 | 8 (z=3) | 130 | 5170 | 0.04 | ap=8.0 / ae=0.8 |
| Чистовая доводка втулок | БрОФ6.5-0.15 | 10 (z=4) | 220 | 7000 | 0.02 | ap=15.0 / ae=0.2 |
| Обработка закаленной | БрБ2 (38 HRC) | 6 (z=4) | 85 | 4510 | 0.025 | ap=3.0 / ae=1.2 |
Смазочно-охлаждающие жидкости и безопасность при обработке БрБ2
Фрезерование бронзовых деталей требует непрерывной подачи смазочно-охлаждающих технологических сред для отвода тепла и предупреждения наростообразования. На станках с ЧПУ применяют полусинтетические и минеральные эмульсии с противозадирными серо- и фосфорсодержащими EP-присадками. Рабочую концентрацию эмульсии в баке поддерживают на уровне 6–10%. Подачу жидкости организуют сплошным поливом через сопла под давлением 4–6 бар.
Высокое давление струи необходимо для принудительного вымывания мелкой сыпучей стружки из глубоких отверстий и закрытых полостей детали. При обработке оловянных сплавов без обильного охлаждения осевшая стружка попадает под следующие зубья фрезы. Происходит вторичное перерезание частиц, вызывающее микровыкрашивание твердого сплава и появление глубоких рисок на поверхности.
Контроль состояния СОЖ включает ежедневное измерение оптической плотности рефрактометром по шкале BRIX и проверку водородного показателя pH. Оптимальное значение pH эмульсии составляет 8.8–9.2. Падение показателя ниже 8.2 провоцирует коррозионное потемнение медного сплава и появление темных пятен на чистовых поверхностях деталей.
Особые требования техники безопасности действуют на участках механической обработки бериллиевых бронз БрБ2 и БрБНТ. Аэрозоли и мелкодисперсная пыль соединений бериллия токсичны и поражают дыхательные пути человека. Предельно допустимая концентрация бериллия в воздухе рабочей зоны составляет 0.001 мг/м³. На нашем производстве мы строго соблюдаем цеховой регламент безопасности:
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ EXT SHG 0609
Фрезерный станок с ЧПУ RABBIT SF-1218
Фрезерный станок с ЧПУ RS 1318G
- Фрезерование заготовок из БрБ2 ведут исключительно с обильной подачей СОЖ для полного связывания аэрозолей.
- Рабочую зону станка закрывают защитным кабинетом с вытяжной аспирацией через фильтры класса HEPA H14.
- Запрещается сухая зачистка деталей абразивным инструментом без водяного орошения и местных пылеотсосов.
- Удаление стружки со стола и направляющих выполняют промышленными пылесосами с трехступенчатой влажной фильтрацией.
Качество поверхностей трения и подшипников скольжения
Бронзовые детали ответственного назначения работают в узлах трения в качестве подшипников скольжения, опорных полуколец, направляющих втулок и гаек ходовых винтов. Рабочие шейки и пазы должны обладать чистотой в диапазоне Ra 0.4–0.8 мкм без микротрещин и зон пластического смятия. Получение заданных параметров требует жесткого контроля динамической стабильности всей технологической системы СПИД.
Радиальное биение режущих кромок инструмента в шпинделе не должно превышать 0.003 мм. Превышение порога свыше 0.006 мм ведет к неравномерной нагрузке на перья фрезы, создавая волнистость и огранку на стенках втулки. Для закрепления монолитных фрез применяют термоусадочные оправки либо гидропластовые патроны высокой жесткости.
Финишную обработку выполняют за два последовательных прохода с радиальным припуском 0.15–0.25 мм на первом проходе и 0.03–0.05 мм на калибрующем проходе. Выхаживание проводят на максимальной скорости резания при минимальной подаче на зуб fz 0.015–0.025 мм/зуб. Качественная смазочно-охлаждающая среда формирует зеркальный микрорельеф без следов адгезионного вырыва металла.
Для смазочных канавок сложной пространственной формы (восьмерки, спирали и перекрестные каналы) применяют граверы и сферические микрофрезы диаметром 1.5–3.0 мм. Точное сопряжение траектории фрезы с телом втулки исключает образование заусенцев на краях маслораздаточных каналов.
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ОБРАБОТКИ ПАЗОВ И ВТУЛОК СКОЛЬЖЕНИЯ │ │ │ │ 1. Черновая выборка припуска (ap = 3-8 мм, Vc = 140 м/мин, fz = 0.08 мм) │ │ └─► Снятие 85% основного объема металла, припуск под финиш 0.5 мм │ │ │ │ 2. Получистовой контурный проход (ap = 15 мм, ae = 0.4 мм, fz = 0.035 мм)│ │ └─► Исправление погрешностей геометрии, выравнивание стенок │ │ │ │ 3. Чистовая калибровка (ae = 0.05 мм, Vc = 220 м/мин, fz = 0.018 мм) │ │ └─► Получение шероховатости Ra 0.4-0.8 мкм, отсутствие конусности │ └────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Оснастка станков и устранение дефектов фрезерования
Высокая точность позиционирования и жесткость базирования заготовки исключают вибрации при фрезеровании на форсированных минутных подачах. Для корпусных бронзовых деталей применяют прецизионные тиски с шлифованными губками или вакуумные плиты с эластичными уплотнителями. Тонкостенные втулки крепят на разжимных цанговых оправках, предотвращая появление овальности после снятия детали со станка.
При программировании обработки в CAM-системах врезание фрезы в сплошной металл выполняют исключительно по наклонной траектории с углом врезания 1.5°–2.5° либо по винтовой спирали. Прямое осевое врезание торцом концевой фрезы приводит к перегрузке торцевых зубьев и скалыванию вершин режущих кромок.
В процессе наладки управляющих программ операторы сталкиваются с технологическими дефектами, вызванными вязкостью бронзы или вибрациями консольного инструмента. Своевременная корректировка режимов и замена оснастки позволяют гарантировать высокое качество поверхности деталей и исключить производственный брак.
| Технологический дефект | Вероятная причина | Метод устранения |
|---|---|---|
| Заусенцы на выходе фрезы | Пластическое выдавливание металла затупленным лезвием | Замена фрезы на инструмент с передним углом gamma=+12° и снятие фасок гравером |
| Налипание бронзы на зубья | Недостаточная концентрация эмульсии или завышенная скорость Vc | Увеличение подачи СОЖ под давлением и повышение концентрации до 8–10% |
| Волнистость и дробление | Превышение вылета фрезы или биение оправки шпинделя | Сокращение вылета инструмента до соотношения L/D < 3 и переход на гидропатроны |
| Выкрашивание кромок детали | Встречное фрезерование или вибрация тонких стенок заготовки | Переход на попутное фрезерование и снижение радиальной ширины фрезерования ae |
