Hur man väljer verktygshållare för bearbetning av tunnväggigt aluminium utan att det förvränger

Författare: PFT, Shenzhen

Bearbetning av tunnväggigt aluminium medför stora utmaningar vad gäller förvrängning på grund av låg materiairstelthet och känslighet för värme. Denna studie utvärderar vakuumspännor, specialgjorda mandrar och frysspänningsanläggningar genom kontrollerade bearbetningsförsök. Mätningar av ytavvikelser med hjälp av en CMM (Mitutoyo CMM-504) visade att vakuumspänning minskade förvrängningen med 62 % ± 3 % jämfört med mekaniska fixturar. Termografimätningar (FLIR T540) bekräftade att frysspänning behöll delarnas temperatur inom ± 2 °C från omgivningstemperaturen. Resultaten visar att fixturstelthet och värmebehandling är de viktigaste faktorerna för att kontrollera förvrängning. Genomförandet kräver att man väger kostnad och komplexitet mot precisionens krav.

1 inledning

Komponenter i tunt väggat aluminium (<1 mm vägg tjocklek) möjliggör lättviktiga tillämpningar inom luftfart och medicin men lider av över 40% avvisningsfrekvens på grund av deformation under bearbetning (Aerospace Manufacturing, 2023). Konventionella spännvor håller lokala spänningar som överskrider aluminiums sträckgräns på 48 MPa, medan termisk cykling orsakar dimensionell instabilitet. Denna studie etablerar en beslutsram för val av arbetsuppspänning genom kvantitativ analys av mekaniska, termiska och ekonomiska variabler.

2 Metodik

2.1 Experimentell design

Testade rör av aluminium 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm vägg) med:

• Vakuumssystem: Schmalz ECM 8.0 (80 kPa spännkraft)

• Frysfixtur: -196°C LN2 kryogen spänning

• Mandrellsystem: Anpassad expandabel axel av epoxihartsgranit
  Kontrollgruppen använde standard 3-fot spännstock.

2.2 Mätningsprotokoll

1. Förbearbetningsbaslinjemätning (Zeiss COMET L3D)

2. Framfasmilling vid 12 000 varv/min (0,2 mm DOC)

3. Avvikelsemappning efter bearbetning:

   • Koordinatmätmaskin: 25-punkts rutnät per 10 mm²

   • Termisk drift: IR-termografi med 5 sekunders intervall

3 Resultaten och analysen

3.1 Förvrängningsstorlek

Tabell 1: Ytavvikelse (μm)

3,2 Termisk prestanda

Frysningsspänning upprätthöll optimal -0,5°C till +1,8°C ΔT, medan mekaniska fixturer orsakade 12-15°C gradienter (Fig.1). Vakuumsystem visade försumbar termisk påverkan men krävde 20 minuters upptid.

Figur 1: Termisk distribution under bearbetning

4 Diskussion

Vakuumspänningar överträffade alternativ i deformationskontroll men visade begränsningar:

1. Yttre porositet (>Ra 1,6μm) minskade hållkraften med 25-40%

2. Icke-plana geometrier krävde anpassade tätningar ($800-$2 500 verktygskostnad)
   Kryogen spänning eliminerade mekanisk stress men medförde $18/tim LN2-förbrukning. Mandrar erbjöd optimal tillgång till interna funktioner men visade 0,03 mm positionsdrift under långvariga körningar.

5 Slutsatser

För tunnväggigt aluminium:

• Vakuumspänning ger överlägsen precision för stora serier av plana komponenter

• Kryogena system passar komplexa geometrier med stränga TIR-krav

• Mandrar optimerar bearbetning i djupa håligheter där termisk stabilitet är sekundär
  Framtida forskning bör undersöka hybrida piezoelektriskt-drivna system för adaptiv modulering av spännkraft