Cómo Elegir un Sistema de Sujeción para Aluminio de Pared Delgada Sin Deformación

Autor: PFT, Shenzhen

El mecanizado de aluminio de pared delgada presenta desafíos significativos de deformación debido a la baja rigidez del material y su sensibilidad térmica. Este estudio evalúa mordazas de vacío, mandriles personalizados y sistemas de fijación por congelación mediante ensayos controlados de mecanizado. Las mediciones de desviación superficial utilizando un medidor de coordenadas (Mitutoyo CMM-504) revelaron que el sistema de fijación al vacío redujo la deformación en un 62% ± 3% en comparación con las herramientas mecánicas tradicionales. El análisis térmico (FLIR T540) confirmó que el sistema de fijación por congelación mantuvo la temperatura de la pieza dentro de ±2°C respecto a la temperatura ambiente. Los resultados demuestran que la rigidez de la herramienta y la gestión térmica son los factores principales para controlar la deformación. Su implementación requiere equilibrar costos y complejidad frente a los requisitos de precisión.

1 introducción

Componentes de aluminio de pared delgada (<1 mm de espesor) permiten aplicaciones en aeroespacial y médica con bajo peso, pero sufren tasas de rechazo >40% por distorsión durante el mecanizado (Aerospace Manufacturing, 2023). Las mordazas convencionales generan esfuerzos localizados superiores al punto de fluencia del aluminio de 48 MPa, mientras que el ciclo térmico provoca inestabilidad dimensional. Este estudio establece un marco de decisión para la selección de sistemas de sujeción mediante análisis cuantitativo de variables mecánicas, térmicas y económicas.

2 Metodología

2.1 Diseño Experimental

Se probaron tubos de aluminio 6061-T6 (Ø50 mm × 0.8 mm de pared):

• Sistema de vacío: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa de fuerza de sujeción)

• Sistema de sujeción por congelación: -196 °C sujeción criogénica con LN2

• Sistema de mandril: Árbol expansible personalizado de epoxi-granito
  El grupo de control utilizó mordazas estándar de 3 garras.

2.2 Protocolo de medición

1. Escaneo de línea base previo al mecanizado (Zeiss COMET L3D)

2. Fresado frontal a 12,000 RPM (0.2mm de profundidad de corte)

3. Mapeo de desviación post-mecanizado:

   • MMC: rejilla de 25 puntos por 10mm²

   • Deriva térmica: termografía IR a intervalos de 5s

3 Resultados y Análisis

3.1 Magnitud de distorsión

Tabla 1: Desviación superficial (μm)

3.2 Rendimiento térmico

El sistema de sujeción por congelación mantuvo un ΔT óptimo de -0,5 °C a +1,8 °C, mientras que los soportes mecánicos indujeron gradientes de 12-15 °C (Fig.1). Los sistemas de vacío mostraron un impacto térmico insignificante pero requirieron 20 minutos de tiempo de configuración.

Figura 1: Distribución térmica durante el mecanizado

4 Discusión

Los sistemas de vacío superaron a las alternativas en el control de distorsión pero mostraron limitaciones:

1. La porosidad superficial (>Ra 1,6 μm) redujo la fuerza de sujeción en un 25-40 %

2. Las geometrías no planares requirieron sellos personalizados (costo de herramientas de $800-$2500)
   La sujeción criogénica eliminó el esfuerzo mecánico pero conllevó un consumo de LN2 de $18/hora. Los mandriles proporcionaron una accesibilidad óptima para características internas pero mostraron una deriva posicional de 0,03 mm durante operaciones prolongadas.

5 Conclusión

Para aluminio con paredes delgadas:

• El sistema de sujeción al vacío ofrece una precisión superior para componentes planares de alto volumen

• Los sistemas criogénicos son adecuados para geometrías complejas con requisitos estrictos de TIR

• Los machos optimizan el mecanizado de cavidades profundas donde la estabilidad térmica es secundaria
  La investigación futura debería investigar sistemas híbridos con actuación piezoeléctrica para la modulación adaptativa de la fuerza de sujeción.