Como Escolher o Workholding para Alumínio de Parede Fina Sem Deformação

Autor: PFT, Shenzhen

A usinagem de alumínio com parede fina apresenta desafios significativos de distorção devido à baixa rigidez do material e sensibilidade térmica. Este estudo avalia morsas a vácuo, mandris personalizados e sistemas de fixação por congelamento por meio de testes controlados de usinagem. Medidas de desvio superficial utilizando CMM (Mitutoyo CMM-504) revelaram que a fixação a vácuo reduziu a distorção em 62% ± 3% em comparação com fixações mecânicas. A termografia (FLIR T540) confirmou que a fixação por congelamento manteve a temperatura das peças dentro de ± 2 °C em relação à ambiente. Os resultados demonstram que a rigidez da fixação e o gerenciamento térmico são os principais fatores de controle de distorção. A implementação requer equilibrar custo e complexidade em relação aos requisitos de precisão.

1 introdução

Componentes de alumínio de parede fina (<1 mm de espessura) permitem aplicações leves na indústria aeroespacial e médica, mas sofrem com taxas de rejeição superiores a 40% devido à distorção durante a usinagem (Aerospace Manufacturing, 2023). Os morsos convencionais geram tensões localizadas que excedem o limite de escoamento do alumínio, de 48 MPa, enquanto o ciclo térmico provoca instabilidade dimensional. Este estudo estabelece um framework de decisão para seleção de dispositivos de fixação por meio da análise quantitativa de variáveis mecânicas, térmicas e econômicas.

2 Metodologia

2.1 Design Experimental

Testados tubos de alumínio 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm de parede) utilizando:

• Sistema de Vácuo: Schmalz ECM 8.0 (força de fixação de 80 kPa)

• Fixação por congelamento: -196°C de nitrogênio líquido criogênico

• Sistema de mandril: Árvore expansível personalizada de epóxi-granito
  Grupo de controle utilizou platinas de 3 garras padrão.

2.2 Protocolo de Medição

1. Digitalização de referência antes da usinagem (Zeiss COMET L3D)

2. Fresagem de face a 12.000 RPM (0,2 mm de profundidade de corte)

3. Mapeamento de desvio após usinagem:

   • Máquina de medir por coordenadas (CMM): grade de 25 pontos por 10 mm²

   • Deriva térmica: termografia infravermelha a cada 5 segundos

3 Resultados e Análise

3.1 Magnitude da distorção

Tabela 1: Desvio superficial (μm)

3.2 Desempenho Térmico

O sistema de fixação por congelamento manteve uma variação térmica ótima de -0,5°C a +1,8°C ΔT, enquanto os fixadores mecânicos induziram gradientes de 12-15°C (Fig.1). Sistemas a vácuo mostraram impacto térmico desprezível, mas exigiram 20 minutos de tempo para configuração.

Figura 1: Distribuição térmica durante a usinagem

4 Discussão

Sistemas a vácuo superaram as alternativas no controle de distorção, mas demonstraram limitações:

1. A porosidade superficial (>Ra 1,6μm) reduziu a força de fixação em 25-40%

2. Geometrias não planas exigiram selos personalizados (custo de ferramental de $800-$2.500)
   A fixação criogênica eliminou tensões mecânicas, mas gerou um consumo de LN2 de $18/hora. Mandris proporcionaram acessibilidade ideal para recursos internos, mas apresentaram desvio posicional de 0,03mm durante operações prolongadas.

5 Conclusão

Para alumínio com paredes finas:

• O sistema de fixação a vácuo oferece precisão superior para componentes planares de alta produção

• Sistemas criogênicos são adequados para geometrias complexas com requisitos rigorosos de TIR

• Mandris otimizam a usinagem de cavidades profundas onde a estabilidade térmica é secundária
  Pesquisas futuras devem investigar sistemas híbridos piezoelétricos atuados para modulação adaptativa da força de fixação.