Jak vybrat upínací prostředky pro obrábění tenkostěnného hliníku bez deformace

Autor: PFT, Shenzhen

Obrábění tenkostěnného hliníku přináší významné výzvy z hlediska deformací materiálu způsobených nízkou tuhostí materiálu a jeho citlivostí na teplotu. Tato studie hodnotí vakuová upínadla, speciální třískové upínadla a systémy upínání mrazem pomocí kontrolovaných obráběcích testů. Měření odchylek povrchu pomocí souřadnicového měřicího stroje (Mitutoyo CMM-504) ukázala, že vakuové upínání snižuje deformace o 62 % ± 3 % ve srovnání s mechanickými upínacími prostředky. Termovizní měření (FLIR T540) potvrdila, že upínání mrazem udržuje teplotu obrobku v rozmezí ±2 °C od okolní teploty. Výsledky demonstrují tuhost upínacího zařízení a řízení teploty jako hlavní faktory ovlivňující kontrolu deformací. Při implementaci je nutné vyvážit náklady a složitost vůči požadované přesnosti.

1 Úvod

Tenkostěnné hliníkové komponenty (tloušťka stěny <1 mm) umožňují lehké konstrukce v leteckém a lékařském průmyslu, ale trpí více než 40% odmítnutím kvůli deformacím během obrábění (Aerospace Manufacturing, 2023). Konvenční svěráky generují lokální napětí přesahující mez kluzu hliníku 48 MPa, zatímco tepelné cyklování způsobuje rozměrovou nestabilitu. Tato studie přináší rozhodovací rámec pro výběr upínacího systému prostřednictvím kvantitativní analýzy mechanických, tepelných a ekonomických proměnných.

2 Metodika

2.1 Návrh experimentu

Byly testovány hliníkové trubky 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm stěna) pomocí:

• Vakuový systém: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa upínací síla)

• Chladicí upínací systém: -196 °C kapalný dusík (kryogenní upnutí)

• Mandlový systém: Vlastní rozpínavý hřídel s epoxidovou žulou
  Kontrolní skupina používala standardní tříčelisťové upínací kleště.

2.2 Měřicí protokol

1. Základní sken před obráběním (Zeiss COMET L3D)

2. Čelní frézování při 12 000 ot./min (0,2 mm DOC)

3. Mapování odchylek po obrábění:

   • Koordinátní měřící stroj: 25 bodová mřížka na 10 mm²

   • Tepelný drift: IR termografie v 5sekundových intervalech

3 Výsledky a analýza

3.1 Velikost deformace

Tabulka 1: Odchylka povrchu (μm)

3.2 Tepelný výkon

Upevnění zmrazením udržovalo optimální ΔT -0,5°C až +1,8°C, zatímco mechanické upínačky způsobovaly teplotní gradienty 12-15°C (obr. 1). Vakuové systémy měly zanedbatelný tepelný dopad, ale vyžadovaly 20min nastavovací čas.

Obrázek 1: Rozložení teploty během obrábění

4 Diskuze

Vakuové systémy překonaly alternativy ve kontrole deformací, ale projevily omezení:

1. Povrchová pórozita (>Ra 1,6μm) snížila upínací sílu o 25-40%

2. Neploché geometrie vyžadovaly výrobu speciálních těsnění (náklady na nástroje $800-$2 500)
   Kryogenní upínání odstranilo mechanické napětí, ale spotřebovalo $18/h kapalného dusíku. Mandrily zajistily optimální přístup k vnitřním prvkům, ale během delšího provozu vykazovaly polohovou odchylku 0,03mm.

5 Závěr

Pro tenkostěnný hliník:

• Vakuové upínání zajišťuje vynikající přesnost pro rovinné komponenty vyráběné vysokým objemem

• Kryogenní systémy jsou vhodné pro složité geometrie s přísnými požadavky na TIR

• Třmeny optimalizují obrábění hlubokých dutin, kde je tepelná stabilita druhotná
  Budoucí výzkum by měl prozkoumat hybridní systémy s piezoelektrickým pohonem pro adaptivní modulaci upínací síly.