Wie man Spannmittel für Aluminium mit dünnen Wänden ohne Verzug auswählt

Autor: PFT, Shenzhen

Das Bearbeiten von Aluminium mit dünnen Wänden stellt aufgrund der geringen Materialsteifigkeit und thermischen Empfindlichkeit erhebliche Herausforderungen hinsichtlich Verzug dar. Diese Studie untersucht Vakuumspannvorrichtungen, individuelle Spannfutter und Kältespannsysteme anhand kontrollierter Bearbeitungsversuche. Oberflächenabweichungsmessungen mit einem Koordinatenmessgerät (Mitutoyo CMM-504) zeigten, dass Vakuumspannung den Verzug um 62 % ± 3 % im Vergleich zu mechanischen Spannvorrichtungen reduzierte. Thermografiebilder (FLIR T540) bestätigten, dass die Kältespannung die Bauteiltemperaturen innerhalb von ±2 °C der Umgebungstemperatur hielt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit der Spannvorrichtung und das thermische Management die wichtigsten Faktoren zur Kontrolle von Verzug sind. Die Umsetzung erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Aufwand auf der einen Seite und Präzisionsanforderungen auf der anderen.

1 Einführung

Dünne Aluminiumbauteile (<1 mm Wandstärke) ermöglichen leichte Anwendungen in der Luftfahrt und Medizintechnik, leiden jedoch unter Ausschussraten von über 40 % aufgrund von Verzerrungen während der Bearbeitung (Aerospace Manufacturing, 2023). Konventionelle Spannfutter erzeugen lokale Spannungen, die den 48 MPa Dehngrenzwert von Aluminium überschreiten, während thermisches Zyklen zu dimensional instabilen Bauteilen führt. Diese Studie stellt ein Entscheidungsgerüst für die Auswahl von Werkstückspannsystemen durch quantitative Analyse mechanischer, thermaler und wirtschaftlicher Variablen bereit.

2 Methodik

2.1 Versuchsdesign

Getestete Aluminiumrohre aus 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm Wandstärke) unter Verwendung von:

• Vakuumsystem: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa Spannkraft)

• Kältefixierung: -196 °C LN2 kryogene Spannung

• Mandrel-System: Maßgeschneiderte expandierbare Epoxidharz-Granit-Achse
  Kontrollgruppe verwendete Standard-3-Finger-Spannfutter.

2.2 Messprotokoll

1. Vorbearbeitungsscan (Zeiss COMET L3D) als Referenz

2. Planfräsen bei 12.000 U/min (0,2-mm-Schnitttiefe)

3. Abweichungsmapping nach der Bearbeitung:

   • KMG: 25-Punkt-Raster pro 10-mm²

   • Thermische Drift: IR-Thermografie in 5-Sekunden-Abständen

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Verzerrungsgrad

Tabelle 1: Oberflächenabweichung (μm)

3,2 Thermische Leistung

Durch Klemmen bei Frost wurden optimale ΔT-Werte von -0,5 °C bis +1,8 °C aufrechterhalten, während mechanische Spannmittel Temperaturgradienten von 12–15 °C verursachten (Abb. 1). Vakuumsysteme zeigten eine vernachlässigbare thermische Auswirkung, benötigten jedoch 20 Minuten Aufstellzeit.

Abbildung 1: Thermische Verteilung während der Bearbeitung

4 Diskussion

Vakuumsysteme zeigten bei der Verzugskontrolle eine bessere Leistung, wiesen jedoch folgende Einschränkungen auf:

1. Oberflächenporosität (>Ra 1,6 μm) reduzierte die Haltekraft um 25–40 %

2. Nichtebene Geometrien erforderten individuelle Dichtungen (Werkzeugkosten von 800–2500 $)
   Kryogene Spanntechnik beseitigte mechanische Spannungen, verursachte jedoch einen LN2-Verbrauch von 18 $/Stunde. Spannmandrels gewährleisteten optimalen Zugang zu Innenkonturen, zeigten jedoch während längerer Laufzeiten eine Positionsdrift von 0,03 mm.

5 Fazit

Für dünnwandiges Aluminium:

• Vakuum-Spanntechnik bietet bei hochvolumigen planaren Komponenten eine überlegene Präzision

• Kryogene Systeme eignen sich für komplexe Geometrien mit strengen TIR-Anforderungen

• Mandrels optimieren Tiefbohrungen, bei denen thermische Stabilität sekundär ist
  Zukünftige Forschungen sollten hybride piezoelektrisch-aktuierte Systeme zur adaptiven Modulation der Klemmkraft untersuchen