Come scegliere il sistema di bloccaggio per l'alluminio con pareti sottili senza deformazioni

Autore: PFT, Shenzhen

La lavorazione dell'alluminio con parete sottile presenta significative sfide in termini di deformazione a causa della bassa rigidità del materiale e della sensibilità termica. Questo studio valuta morsini a vuoto, mandrini personalizzati e sistemi di bloccaggio a congelamento attraverso prove di lavorazione controllate. Le misurazioni delle deviazioni superficiali effettuate con CMM (Mitutoyo CMM-504) hanno rivelato che il bloccaggio a vuoto riduce la deformazione del 62% ± 3% rispetto ai dispositivi meccanici. L'analisi termica (FLIR T540) ha confermato che il bloccaggio a congelamento mantiene la temperatura del pezzo entro ±2°C rispetto a quella ambiente. I risultati dimostrano che la rigidità del dispositivo e la gestione termica sono i principali fattori di controllo della deformazione. L'implementazione richiede di bilanciare costo e complessità in relazione ai requisiti di precisione.

1 introduzione

I componenti in alluminio con pareti sottili (spessore <1 mm) permettono applicazioni leggere nel settore aerospaziale e medico, ma subiscono tassi di scarto superiori al 40% a causa di deformazioni durante la lavorazione (Aerospace Manufacturing, 2023). Le morse tradizionali generano sollecitazioni localizzate che superano il limite di snervamento dell'alluminio pari a 48 MPa, mentre i cicli termici causano instabilità dimensionale. Questo studio presenta un framework decisionale per la selezione dei sistemi di bloccaggio, attraverso l'analisi quantitativa di variabili meccaniche, termiche ed economiche.

2 Metodologia

2.1 Progettazione sperimentale

Tubi in alluminio 6061-T6 testati (Ø50 mm × spessore 0,8 mm):

• Sistema a vuoto: Schmalz ECM 8.0 (forza di bloccaggio 80 kPa)

• Sistema di bloccaggio criogenico: -196°C bloccaggio con azoto liquido (LN2)

• Sistema a mandrino: Albero espandibile personalizzato in resina e granito
  Il gruppo di controllo ha utilizzato morse standard a 3 ganasce.

2.2 Protocollo di Misurazione

1. Scansione iniziale pre-lavorazione (Zeiss COMET L3D)

2. Fresatura frontale a 12.000 giri/min (0,2 mm di profondità di taglio)

3. Mappatura delle deviazioni post-lavorazione:

   • MCM: griglia a 25 punti per 10 mm²

   • Deriva termica: termografia IR a intervalli di 5 secondi

3 Risultati e Analisi

3.1 Entità della deformazione

Tabella 1: Deviazione superficiale (μm)

3.2 Prestazione termica

Il bloccaggio a freddo ha mantenuto un ΔT ottimale tra -0,5°C e +1,8°C, mentre i dispositivi meccanici inducevano gradienti di 12-15°C (Fig.1). I sistemi a vuoto hanno mostrato un impatto termico trascurabile ma richiedevano 20 minuti di tempo di configurazione.

Figura 1: Distribuzione termica durante la lavorazione

4 Discussione

I sistemi a vuoto hanno superato le alternative nel controllo della distorsione ma hanno mostrato alcune limitazioni:

1. La porosità superficiale (>Ra 1,6μm) ha ridotto la forza di tenuta del 25-40%

2. Le geometrie non piane richiedevano guarnizioni personalizzate (costo degli utensili $800-$2.500)
   Il bloccaggio criogenico ha eliminato lo stress meccanico ma ha comportato un consumo di LN2 di $18/ora. I mandrini hanno fornito un'ottimale accessibilità per gli elementi interni ma hanno mostrato uno spostamento posizionale di 0,03 mm durante i cicli prolungati.

5 Conclusione

Per l'alluminio con pareti sottili:

• Il sistema di bloccaggio a vuoto garantisce una precisione superiore per componenti piani di alta serie

• I sistemi criogenici sono adatti a geometrie complesse con rigorosi requisiti di TIR

• I mandrini ottimizzano la lavorazione di cavità profonde dove la stabilità termica è secondaria
  Le ricerche future dovrebbero analizzare sistemi ibridi con attuatori piezoelettrici per la modulazione della forza di serraggio adattiva.