Эффективная подача смазочно-охлаждающей жидкости в фрезерных инструментах аддитивного производства.

Связанные поставщики

В быстро развивающейся сфере производства стремление к эффективности, устойчивому развитию и рентабельности привело к революционным исследованиям и технологическим достижениям. Одной из таких областей инноваций является применение процессов аддитивного производства при проектировании и производстве режущих инструментов.

Использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ, MWF) незаменимо при фрезеровании требовательных, труднообрабатываемых материалов и деталей, например, деталей аэрокосмической конструкции из титановых сплавов. Производительное фрезерование с использованием смазочно-охлаждающей жидкости при высоком давлении подачи ставит перед обрабатывающей промышленностью серьезные задачи по снижению экономических и экологических затрат. В частности, увеличение срока службы инструмента и сокращение необходимого использования смазочно-охлаждающей жидкости может внести значительный вклад в устойчивое, ресурсосберегающее и конкурентоспособное производство в Германии. Производство сложных, индивидуально разработанных инструментов с внутренним охлаждением с использованием традиционных производственных процессов очень сложное, затратное и возможно лишь в ограниченной степени.

Геометрическая свобода проектирования процессов аддитивного производства открывает огромный потенциал с точки зрения индивидуализированной, целенаправленной подачи смазочно-охлаждающей жидкости с низкими потерями. Обрабатывая металлические порошковые материалы, процесс лазерной плавки порошка (LPBF) можно использовать для изменения конструкции подачи смазочно-охлаждающей жидкости в сменные режущие инструменты. Эти возможности были изучены в проекте Tacoma (AiF) в Лаборатории станков и технологии производства (WZL) RWTH Ахенского университета. Цель заключалась в том, чтобы использовать потенциал фрезерных инструментов, изготовленных аддитивным способом с использованием процесса LPBF, в отношении адаптированной подачи смазочно-охлаждающей жидкости для увеличения срока службы инструмента и надежности процесса. На примере сменных фрез с тангенциальными седлами пластин были продемонстрированы возможности и ограничения оптимизированных каналов подачи жидкости и сфокусированной конструкции сопла. Проект завершился в марте 2023 года после трехлетнего срока сотрудничества с Институтом лазерных технологий Фраунгофера ILT и широким консорциумом участвующих компаний из области производства инструментов, станков, приложений и периферийных устройств для СОЖ.

В рамках исследовательского проекта Tacoma были разработаны, изготовлены с использованием процесса LPBF и проанализированы в экспериментах по механической обработке однорядные и многорядные фрезы со сменными пластинами с низкими потерями и целенаправленной подачей смазочно-охлаждающей жидкости. Результаты были использованы в руководствах по проектированию и рекомендациях для МСП. После аттестации низколегированной цементируемой стали 18MnCrMoV4-8-7 в процессе LPBF в ходе гидромеханических исследований были определены подходящие геометрические каналы и сопла. Используя геометрическую свободу конструкции, удалось снизить объемные потери до 21 процента и придать более целенаправленную форму свободной струе СОЖ с помощью адаптированных форм сопел.

Результаты затем были использованы при разработке адаптированной системы подачи жидкости во фрезерный инструмент. Проект был подкреплен численным моделированием CFD, чтобы можно было сделать выводы о эксплуатационных характеристиках еще до экспериментальной проверки. Путем тестирования широкого спектра вариантов поставки с высокой геометрической сложностью и разнообразием аддитивно изготовленных фрез для черновой обработки термообработанной стали 42CrMo4+QT и титанового сплава Ti-6Al-4V были извлечены подходящие варианты и сделаны выводы об оптимальной смазочно-охлаждающей жидкости. были получены концепции поставок. Целенаправленная подача смазочно-охлаждающей жидкости с малыми потерями к режущей кромке инструмента, которая подвергается высоким механическим и термическим нагрузкам, привела к увеличению срока службы инструмента до 70 процентов по сравнению с эталонным инструментом. В то же время объемный расход был снижен почти вдвое, что значительно снизило потребность станка в электроэнергии.

Огромное повышение эффективности и производительности при использовании может компенсировать дополнительные экономические и экологические затраты в процессе производства режущих инструментов, изготовленных аддитивным способом. При примерном расчете затрат цена инструмента, изготовленного аддитивным способом, оказалась почти на 50 процентов выше, чем цена эталонного инструмента, изготовленного традиционным способом. С учетом всего срока службы инструмента эксплуатационные затраты на инструмент производства ЛПБФ оказались на 39 процентов ниже затрат, рассчитанных на инструмент по современному состоянию. Результаты оценки жизненного цикла согласно DIN EN ISO 14040/44 также показали возможность снижения воздействия на окружающую среду во время использования инструмента. Выбросы CO2, рассчитанные для срока службы инструмента, были сокращены на 20 процентов благодаря более эффективному использованию смазочно-охлаждающей жидкости и увеличению срока службы режущих пластин.