Как выбрать приспособление для обработки тонкостенного алюминия без деформации

Автор: PFT, Шэньчжэнь

Обработка тонкостенного алюминия вызывает значительные трудности, связанные с деформацией материала из-за его низкой жесткости и чувствительности к температурным изменениям. В данном исследовании оценивались вакуумные патроны, специальные оправки и системы крепления с замораживанием в ходе контролируемых испытаний обработки. Измерения отклонений поверхности с использованием координатно-измерительной машины (CMM Mitutoyo CMM-504) показали, что вакуумное крепление снижает деформацию на 62% ± 3% по сравнению с механическими приспособлениями. Тепловизионные измерения (FLIR T540) подтвердили, что крепление с замораживанием поддерживает температуру детали в пределах ±2°C относительно окружающей среды. Результаты показали, что основными факторами контроля деформации являются жесткость приспособления и управление тепловыми процессами. При внедрении необходимо учитывать баланс между стоимостью и сложностью и требованиями к точности.

1 введение

Тонкостенные алюминиевые компоненты (<1 мм толщиной стенки) позволяют создавать легкие конструкции для авиакосмической и медицинской промышленности, но более чем 40% изделий отбраковываются из-за деформации во время механической обработки (Aerospace Manufacturing, 2023). Традиционные тиски создают локальные напряжения, превышающие предел текучести алюминия (48 МПа), а термический цикл вызывает размерную нестабильность. В данном исследовании разработана методика выбора технологической оснастки на основе количественного анализа механических, тепловых и экономических параметров.

2 Методология

2.1 Планирование эксперимента

Испытания трубок из алюминиевого сплава 6061-T6 (Ø50 мм × 0,8 мм толщиной стенки) проводились с использованием:

• Вакуумная система: Schmalz ECM 8.0 (удерживающее усилие 80 кПа)

• Криогенная оснастка с охлаждением: -196°C жидкий азот (LN2) для криогенного зажима

• Система оправок: Специальная расширяемая оправка из эпоксидно-гранитной смеси
  Контрольная группа использовала стандартные трехкулачковые патроны.

2.2 Протокол измерений

1. Сканирование до начала обработки (Zeiss COMET L3D)

2. Фрезерование торца при 12 000 об/мин (глубина резания 0,2 мм)

3. Карта отклонений после обработки:

   • CMM: 25 точек на 10 мм²

   • Температурный дрейф: ИК-термография с интервалом 5 с

3 Результаты и анализ

3.1 Величина искажений

Таблица 1: Отклонение поверхности (мкм)

3.2 Тепловые характеристики

Крепление с использованием заморозки обеспечило оптимальный температурный перепад от -0,5 °C до +1,8 °C, в то время как механические приспособления создавали градиенты температуры 12–15 °C (рис. 1). Вакуумные системы оказали незначительное тепловое воздействие, но потребовали 20 минут на подготовку.

Рисунок 1: Распределение температуры во время обработки

4 Обсуждение

Вакуумные системы показали лучшие результаты по сравнению с альтернативами в контроле деформаций, однако имели ограничения:

1. Поверхностная пористость (>Ra 1,6 мкм) снизила силу удержания на 25–40%

2. Для нестандартных геометрий требовались индивидуальные уплотнения (стоимость оснастки $800–$2500)
   Криогенное крепление исключило механические напряжения, но потребовало расхода жидкого азота ($18/час). Оправки обеспечили оптимальный доступ к внутренним элементам, но показали погрешность позиционирования 0,03 мм при длительной работе.

5 Заключение

Для тонкостенного алюминия:

• Системы вакуумного крепления обеспечивают высокую точность при обработке высокотехнологичных плоских компонентов

• Криогенные системы подходят для сложных геометрий с жесткими требованиями к радиальному биению

• Оправки оптимизируют обработку глубоких полостей, где термостабильность имеет второстепенное значение
  В будущих исследованиях следует рассмотреть гибридные системы с пьезоэлектрическими приводами для модуляции адаптивного зажимного усилия