Как да изберем зажимно приспособление за обработка на тънкостенен алуминий без изкривяване

Автор: PFT, Шенджън

Обработката на тънкостенен алуминий създава значителни предизвикателства, поради ниската твърдост на материала и неговата чувствителност към температура. В това проучване са оценени вакуумни патрони, специални оправни устройства и системи за фиксиране чрез замразяване чрез контролирани обработки. Измервания на отклоненията по повърхността с координатно-измервателна машина (Mitutoyo CMM-504) показаха, че вакуумното зажимане намали деформацията с 62% ± 3% в сравнение с механични оснастки. Термалното изображение (FLIR T540) потвърди, че фиксирането чрез замразяване поддържа температурата на детайла в диапазон ±2°C спрямо околната среда. Резултатите показват, че твърдостта на оснастката и термичният контрол са основни фактори за управление на деформацията. Прилагането изисква балансиране между цена и сложност спрямо изискванията за прецизност.

1 Въведение

Компоненти от алуминий с тънки стени (<1 mm дебелина на стената) позволяват използването им в авиокосмическата и медицинската индустрия, но отпадъчните проценти достигат над 40% вследствие на деформации при механична обработка (Aerospace Manufacturing, 2023). Конвенционалните паници създават локални напрежения, които надвишават предела на огъване на алуминия от 48 MPa, докато термичното циклиране предизвиква размерна нестабилност. В това проучване се изгражда рамка за вземане на решения относно избора на системи за закрепване чрез количествен анализ на механични, термични и икономически променливи.

2 Методология

2.1 Експериментален дизайн

Изпитани са тръби от алуминий 6061-T6 (Ø50 mm × 0.8 mm стена) с използване на:

• Вакуумна система: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa сила за закрепване)

• Фризов фиксиращ механизъм: -196°C LN2 криогенен метод за закрепване

• Система с оправител (mandrel): Персонализирана разширяема оправителна ос от епоксидна смола и гранит
  Контролната група използва стандартни трицеви паници.

2.2 Протокол за измерване

1. Сканиране преди обработка (Zeiss COMET L3D)

2. Фрезероване на лице при 12 000 оборота в минута (0.2 mm DOC)

3. Картиране на отклонения след обработка:

   • Координатно-измервателна машина: 25 точки на решетка на всеки 10 mm²

   • Топлинно отклонение: инфрачервена термография на всеки 5 секунди

3 Резултати и анализ

3.1 Степен на изкривяване

Таблица 1: Отклонение на повърхността (μm)

3.2 Топлинни характеристики

Замръзването при затегнато съединение запази оптимални стойности на ΔT от -0.5°C до +1.8°C, докато механичните фиксатори предизвикват температурни градиенти от 12-15°C (Фиг.1). Вакуумните системи имат незначително топлинно влияние, но изискват 20 минути за настройка.

Фигура 1: Температурно разпределение по време на обработка

4 Дискусия

Вакуумните системи се представиха по-добре от алтернативите при контрола на деформациите, но показаха ограничения:

1. Повърхностна порьозност (>Ra 1.6μm) намали силата на задържане с 25-40%

2. Непланарни геометрии изискват индивидуални уплътнения (инструментови разходи от $800-$2,500)
   Криогенното затегнато съединение елиминира механичното напрежение, но води до консумация на LN2 от $18/час. Оправките осигуриха оптимален достъп за вътрешни елементи, но показаха отклонение от 0.03mm по време на продължителни работни цикли.

5 Заключение

За тънкостенен алуминий:

• Вакуумното затегване осигурява изключителна прецизност за компоненти с голям обем и плоска форма

• Криогенните системи са подходящи за сложни геометрии с изисквания за строга радиална плътност

• Оправата оптимизира обработката на дълбоки полости, когато термичната стабилност е второстепенна
  Бъдещи изследвания трябва да проучат хибридни системи с пьезоелектрично задвижване за адаптивна модулация на силата на затегване