Jak wybrać oprzyrządowanie do obróbki aluminiowych cienkościennych detali bez odkształceń

Autor: PFT, Shenzhen

Obróbka aluminiowych elementów cienkościennych wiąże się z dużymi wyzwaniami dotyczącymi odkształceń, wynikającymi z niskiej sztywności materiału oraz jego wrażliwości na ciepło. W badaniu oceniono uchwyty próżniowe, specjalne tuleje oraz systemy zaciskania kriogenicznego na podstawie kontrolowanych prób obróbczych. Pomiar odchyłek powierzchni za pomocą maszyny pomiarowej CMM (Mitutoyo CMM-504) wykazał, że zastosowanie zacisku próżniowego zmniejsza odkształcenia o 62% ± 3% w porównaniu do oprzyrządowania mechanicznego. Obrazowanie termiczne (FLIR T540) potwierdziło, że zacisk kriogeniczny utrzymuje temperaturę elementu w granicach ±2°C względem temperatury otoczenia. Wyniki badań wykazały, że głównymi czynnikami kontroli odkształceń są sztywność oprzyrządowania oraz zarządzanie temperaturą. Wdrożenie wymaga oszacowania kosztów i złożoności w stosunku do wymaganej dokładności.

1 wprowadzenie

Cienkościenne elementy aluminiowe (<1 mm grubości ścianki) umożliwiają wytwarzanie lekkich konstrukcji w lotnictwie i medycynie, jednak ponad 40% z nich trafia do odrzutu z powodu odkształceń powstałych podczas obróbki (Aerospace Manufacturing, 2023). Konwencjonalne imadła generują lokalne naprężenia przekraczające granicę plastyczności aluminium wynoszącą 48 MPa, a cykliczne zmiany temperatur powodują niestabilność wymiarową. W badaniu opracowano ramy decyzyjne do wyboru systemu mocowania poprzez ilościową analizę zmiennych mechanicznych, termicznych i ekonomicznych.

2 Metodyka

2.1 Projekt eksperymentu

Przetestowano rury aluminiowe ze stopu 6061-T6 (średnica 50 mm × 0,8 mm grubości ścianki) z zastosowaniem:

• System wentylacyjny: Schmalz ECM 8.0 (siła mocowania 80 kPa)

• Uchwyt chłodzony ciekłym azotem: -196°C LN2 kriogeniczne mocowanie

• System tulejowy: Niestandardowy rozprężny trn epoksydowo-granitowy
  Grupa kontrolna wykorzystywała standardowe imadła trójczeluśne.

2.2 Protokół pomiarowy

1. Skan podstawowy przed obróbką (Zeiss COMET L3D)

2. Frezowanie czołowe przy 12 000 RPM (0,2 mm DOC)

3. Mapowanie odchyłek po obróbce:

   • Pomiar trzpieniowy: 25-punktowa siatka na 10 mm²

   • Dryft termiczny: termografia IR co 5 sekund

3 Wyniki i analiza

3.1 Wielkość zniekształcenia

Tabela 1: Odchyłka powierzchni (μm)

3.2 Wydajność Termiczna

Uchwyt zamrażający utrzymywał optymalną różnicę temperatur od -0,5°C do +1,8°C ΔT, podczas gdy oprzyrządowanie mechaniczne powodowało gradienty temperatury rzędu 12-15°C (Fig.1). Systemy próżniowe wykazały znikomy wpływ termiczny, ale wymagały 20 minut czasu przygotowania.

Rysunek 1: Rozkład temperatury podczas obróbki

4 Dyskusja

Systemy próżniowe wykazały lepszą kontrolę odkształceń niż alternatywy, ale miały również ograniczenia:

1. Porowatość powierzchni (>Ra 1,6μm) zmniejszała siłę zacisku o 25-40%

2. Geometrie nieregularne wymagały uszczelnień na zamówienie (koszt narzędzi: 800–2500 USD)
   Uchwyt kriogeniczny eliminował naprężenia mechaniczne, ale wiązał się z zużyciem ciekłego azotu w wysokości 18 USD/godz. Tuleje stanowiły optymalny dostęp do cech wewnętrznych, ale wykazywały dryft pozycyjny na poziomie 0,03 mm podczas długotrwałej pracy.

5 Wnioski

Dla cienkościennej blachy aluminiowej:

• Uchwyty próżniowe zapewniają wyższą precyzję w przypadku dużych serii komponentów płaskich

• Systemy kriogeniczne nadają się do geometrii złożonych z surowymi wymaganiami dotyczącymi TIR

• Mandryle optymalizują obróbkę głębokich wnęk, gdzie stabilność termiczna odgrywa drugorzędną rolę
  Przyszłe badania powinny zbadać hybrydowe systemy z napędem piezoelektrycznym do adaptacyjnej modulacji siły zacisku.