Ako vybrať upínacie zariadenie pre tenkostenné hliníkové súčiastky bez deformácie

Autor: PFT, Shenzhen

Obrábanie tenkostenného hliníka vykazuje výrazné problémy deformácií v dôsledku nízkej tuhosti materiálu a jeho citlivosti na teplo. Táto štúdia hodnotí vakuumové upínače, špeciálne manduly a upínacie systémy využívajúce mrazové zameranie na základe kontrolovaných skúšok obrábania. Merania odchýlok povrchu pomocou CMM (Mitutoyo CMM-504) ukázali, že vakuumové upínanie znížilo deformáciu o 62 % ± 3 % v porovnaní s mechanickými upínačmi. Termovízne merania (FLIR T540) potvrdili, že mrazové upínanie udržiavalo teplotu súčiastok v rozsahu ±2 °C okolitého prostredia. Výsledky preukázali, že tuhosť upínača a riadenie teplotných vplyvov sú hlavné faktory pri kontrole deformácií. Pri implementácii je potrebné nájsť rovnováhu medzi nákladmi a zložitosťou a požiadavkami na presnosť.

1 Úvod

Tenkostenné hliníkové komponenty (<1 mm hrúbka steny) umožňujú ľahké konštrukcie v leteckom a lekárskom priemysle, ale trpia odmietnutím viac ako 40 % kvôli deformáciám počas obrábania (Aerospace Manufacturing, 2023). Konvenčné zvieradlá vyvolávajú lokálne napätia presahujúce medzu klzu hliníka 48 MPa, zatiaľ čo tepelné cyklovanie spôsobuje rozmerovú nestabilitu. Táto štúdia predstavuje rozhodovací rámec pre výber upínacieho systému prostredníctvom kvantitatívnej analýzy mechanických, termálnych a ekonomických premenných.

2 Metodológia

2.1 Návrh experimentu

Testované hliníkové rúrky 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm stena):

• Vákuový systém: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa upínaciu silu)

• Zamrazené upínanie: -196 °C kvapalný dusík (kryogénne upínanie)

• Mandrel systém: Vlastná rozpínacia upínacia násada z epoxidovej žuly
  Kontrolná skupina používala bežné 3-bodové upínadlá.

2.2 Merací protokol

1. Skenovanie pred opracovaním (Zeiss COMET L3D)

2. Čelné frézovanie pri 12 000 ot./min (0,2 mm hĺbka rezania)

3. Mapovanie odchýlok po opracovaní:

   • Koordinátny merací stroj: 25-bodová mriežka na 10 mm²

   • Tepelný drift: IR termografia každých 5 sekúnd

3 Výsledky a analýza

3.1 Veľkosť deformácie

Tabuľka 1: Odchýlka povrchu (μm)

3.2 Tepelný výkon

Zamrznuté upnutie udržiavalo optimálnu teplotnú odchýlku -0,5 °C až +1,8 °C ΔT, zatiaľ čo mechanické upínačky spôsobovali teplotné gradienty 12-15 °C (obr. 1). Vákuové systémy mali zanedbateľný tepelný vplyv, ale vyžadovali 20-minútový čas na nastavenie.

Obrázok 1: Rozloženie teploty počas obrábania

4 Diskusia

Vákuové systémy prekonalené alternatívy v kontrole deformácií, ale prejavili obmedzenia:

1. Povrchová pórozosť (>Ra 1,6 μm) znížila upínaciu silu o 25-40 %

2. Neploché geometrie vyžadovali výrobu špeciálnych tesnení (náklady na nástroje $800-$2 500)
   Kryogénne upnutie eliminovalo mechanické napätie, ale spotrebovalo $18/hod LNG. Mandrely poskytovali optimálny prístup k vnútorným prvkom, ale počas dlhších behov sa prejavila polohová odchýlka 0,03 mm.

5 Záver

Pre tenkostenné hliníkové výrobky:

• Vákuové upínanie zabezpečuje vysokú presnosť pri sériových plošných súčiastkach

• Kryogénne systémy sú vhodné pre zložité geometrie s prísnymi požiadavkami na TIR

• Tŕne optimalizujú obrábanie hlbokých dutín, kde je sekundárna tepelná stabilita
  Budúci výskum by mal preskúmať hybridné systémy s piezoelektrickým pohonom pre adaptívnu reguláciu upínacej sily.