Aluminium og dets legeringer har adskillige anvendelser i forskellige sektorer, såsom transport, generel ingeniørvirksomhed, el-, konstruktions- og byggeri. Det er også nyttigt i produktionen af husholdningsprodukter og til emballage i den kemiske og fødevaresektoren. Sammenlignet med andre metaller har aluminium en lav hårdhed og en høj termisk udvidelsesværdi. Dette gør produktionen af præcisionskomponenter i aluminium sårbar over for produktdeformation.
En række faktorer bidrager til deformation af præcisionskomponenter i aluminiumlegering. Disse faktorer omfatter materiale, produktionsmiljø, delform og skærevæskens ydeevne. Følgende er måder at reducere forvrængning i aluminiumlegeringskomponenter under CNC-bearbejdning:
1. Reducer den indre spænding i aluminiummaterialet
Spænding defineres som måling af indre kræfter induceret af partikler i et materiale, der udøver tryk på hinanden. Tøjning er et mål for spænding, der afspejler graden af deformation induceret af et materiales indre spænding. Tøjning i et materiale induceres af enten indre eller ydre kræfter. Eksterne kræfter påfører spænding på materialets masse (f.eks. tyngdekraft) eller på dets overflade (f.eks. kontaktkræfter, ydre tryk, friktion).
Restspænding er en almindelig form for spænding, der ofte opstår efter fremstillingsprocessen. Restspænding forårsager den største forvrængning i tynde komponenter.
Nogle af de mest almindelige metoder til at frigøre spændinger i aluminium er:
- En række milde snit foretages, efterhånden som komponenten nærmer sig den færdige størrelse. Spændingsaflastning af delen mellem grov- og færdigbearbejdning kan også reducere eller eliminere forvrængning forårsaget af bearbejdningsspændinger.
- Vibrationsspændingsaflastning (VSR) er også en anden almindelig metode til spændingsaflastning. VSR involverer bøjning af metallet med tilstrækkelig amplitude til at kombinere den genererede og resterende spænding. Som følge heraf opstår plastisk flydning, hvilket resulterer i spændingsaflastning. For at optimere mængden af spændingsaflastning målretter VSR metallets resonansfrekvens. Denne ikke-termiske spændingsaflastningsmetode anvendes i metalbearbejdning for at forbedre dimensionsstabilitet og mekanisk integritet. Den anvendes især til støbt, smedet eller svejset aluminium. Præcisionskomponenter med usædvanligt snævre dimensionelle eller geometriske tolerancer anvendes ofte med VSR.
- Kryogenik er en anden metode til spændingsaflastning, der reducerer restspændinger samtidig med at den forbedrer slid- og korrosionsbestandigheden. Et aluminiumselement placeres i en specifik tank og udsættes for flydende nitrogen. Afhængigt af legeringstypen og tykkelsen falder temperaturen til så lavt som -300°F, og metallet efterlades der i et bestemt tidsrum. Temperaturen øges derefter gradvist til stuetemperatur. Den kryogene metode er en mulighed for mere udbredte varmebehandlingsteknikker. Aluminium behandlet på denne måde har mindre risiko for deformering og er stærkere og mere holdbart. Andre fordele omfatter mindre spændingsrevnedannelse, en lavere friktionskoefficient og øget slagfasthed. Dele, der håndteres på denne måde, er mere modtagelige for bearbejdning og reparation, og færdige dele har en længere levetid.
- Varmebehandlingsmetoder for aluminium
- Udglødning. Aluminiumlegeringer hærdes ofte tidligt i fremstillingscyklussen. Den bevidste plastiske deformation af et emne beskrives ofte som deformationshærdning. Deformationshærdning ændrer den krystallinske struktur inde i metallet og nulstilles efterfølgende ved udglødning. Metallet opvarmes i op til tre timer til temperaturer fra 570 °C til 770 °C. Dette reducerer spændingen forårsaget af deformationshærdningsprocessen og hjælper med at løse vridning og andre vanskeligheder.
- Opløsningsvarmebehandling er en anden type varmebehandling. Metallet nedsænkes i en opløsning ved høj temperatur (mellem 825 °C og 980 °C) og bratkøles derefter for hurtigt at afkøle stoffet. Dette indfanger opløste komponenter, som derefter udfældes, hvilket resulterer i en ældningshærdende effekt. Metallet er let at arbejde med lige efter bratkøling, men det hærder med tiden og bliver stadig vanskeligere at bearbejde.
2. Forbedr værktøjets skæreeffektivitet.
Det er vigtigt at vælge de rigtige skæreværktøjer for at reducere deformation under bearbejdning af komponenter. Skæreværktøjets materiale og geometriske faktorer har betydelig indflydelse på skærekraft og varme.
Geometriske faktorer, der påvirker værktøjets effektivitet, er:
i. Forreste vinkel
Forvinklen skal indstilles omhyggeligt for at bevare bladets styrke; ellers vil de skarpe kanter forringes. Spånvinklen skal være tilstrækkeligt stor for at bevare kantens styrke. På den ene side kan den bruges til at slibe kanter. Den kan også på den anden side reducere skæreforvrængning, sikre jævn spånfjerning og derefter reducere skærekraft og temperatur. Brug af værktøj med negativ spånvinkel frarådes.
ii. Bagvinkel
Bagvinklen har en betydelig effekt på sideslid og bearbejdningskvalitet. Ved bestemmelse af bagvinklen er skæretykkelsen en vigtig faktor at overveje. Det anvendte værktøj skal have passende varmeafledningsforhold, derfor bør der anvendes en lavere frigangsvinkel. Dette skyldes den høje tilspændingshastighed, den stærke skærebelastning og den høje varmeproduktion ved skrubfræsning. Skarpe kanter er nødvendige ved finfræsning for at mindske friktion mellem siden og den bearbejdede overflade samt elastisk deformation. Derfor bør der vælges en bredere frigangsvinkel.
iii. Helix Angle
Helixvinklen skal være så stor som passende for at give jævn fræsning og lavere fræsekraft.
iv. Primær afvigelsesvinkel
En korrekt sænkning af den primære afvigelsesvinkel kan forbedre varmeafledningsforholdene og sænke behandlingsområdets gennemsnitstemperatur.
3. Teknikker til fastspænding af emner bør forbedres
I visse tyndvæggede aluminiumskomponenter med lav stivhed kan de nedenfor beskrevne fastspændingsmetoder anvendes til at mindske deformation:
Trekæbet selvcentrerende borepatron
- Hvis en selvcentrerende borepatron med tre kæber eller en fjederpatron bruges til at fastspænde tyndvæggede CNC-bearbejdningsbøsningskomponenter i radial retning, vil emnet utvivlsomt deformeres, når det løsnes efter bearbejdning.
Der bør anvendes en metode til at presse den aksiale endeflade med god stivhed. En gevinddorn fremstilles for at finde emnets indre hul baseret på positionen af emnets indre hul. Den skal indsættes i emnets indre hul. Endefladen komprimeres med dækpladen, og møtrikken strammes bagud, hvorved afspændingsdeformation kan forhindres under bearbejdning af den ydre cirkel, og bearbejdningspræcision kan opnås.
- Medmindre der bearbejdes tyndvæggede pladekomponenter, anbefales det at anvende vakuumsugekopper for at opnå en mere jævnt fordelt klemkraft og derefter bearbejde med en mindre skæremængde for at undgå deformation af delen.
Alternativt kan fyldningsprocedurer anvendes. For at øge processtivheden af tyndvæggede emner kan der indføres medier i emnet for at mindske emnets deformation under fastspænding og skæring. For eksempel kan man hælde en ureasmelte indeholdende 3% til 6% kaliumnitrat i emnet. Efter bearbejdning nedsænkes emnet i vand eller alkohol, hvorefter fyldstoffet opløses og drænes.
4. Forbedr designet af skæreværktøjer
Skæreværktøjer
- Reducer antallet af fræsetænder, samtidig med at spånpladsen øges.
Et større spånareal er nødvendigt på grund af aluminiumsmaterialets høje plasticitet og den høje skæredeformation under bearbejdning.
Således bør radiusen af bunden af spånkanalen være større, men antallet af fræsetænder bør være mindre. Radiusen af tankens bund bør øges, mens antallet af fræsetænder reduceres. For at minimere forvrængning af tyndvæggede aluminiumslegeringskomponenter på grund af spånblokering anvendes to skæretænder i en fræser på 20 mm eller mindre, og tre skæretænder anvendes i en fræser på 30 til 60 mm.
- Slib tænderne fint.
Skærkanten har en ruhed på Ra=0.4µm eller mindre. Før et nyt skæreværktøj anvendes, bør der udføres et par blide gnidninger med fin asfalt på for- og bagsiden af skæretænderne for at fjerne eventuelle grater eller mindre savtakkede mærker, der kan være tilbage efter slibning af værktøjstænderne. Skærevarmen reduceres, og skæreforvrængning minimeres på grund af denne metode.
- Kontrollér værktøjets slidstandard så strengt som muligt.
Emnets overfladeruhed stiger i takt med at værktøjet slides, sammen med skæretemperaturen og deformationen af emnet. Som følge heraf bør værktøjets slidstandard, udover at vælge værktøjsmaterialer med stærk slidstyrke, ikke være større end 0.2 mm, da der ellers let kan dannes spånkanter. For at undgå forvrængning bør temperaturen på det behandlede emne ikke overstige 100 °C under skæring med CNC-fræsning eller CNC-drejning.
5. Organiser produktionsprocessen korrekt
Vibrationer opstår ofte under fræsning ved højhastighedsskæring på grund af den store bearbejdningstolerance og intermitterende skæring. Dette påvirker bearbejdningsnøjagtigheden og overfladeruheden. Som følge heraf er CNC-højhastighedsskæringsprocessen bredt klassificeret som følger: grovbearbejdning - halvsletbearbejdning - bearbejdning af klare hjørner - sletbearbejdning. Det kan være nødvendigt at udføre et andet halvsletbearbejdningstrin før sletbearbejdning for emner, der kræver et højt præcisionsniveau. Emnerne får lov til at køle naturligt af efter grovbearbejdning for at reducere intern spænding og deformation.
Efter grovbearbejdning skal den resterende margen være større end deformationen, generelt 1-2 mm. Emnets overflade skal være homogen under hele finishen.
Generelt er det den bedste teknik til at reducere skæredeformation, opnå høj overfladebearbejdningskvalitet og opretholde produktkorrekthed at holde værktøjet stabilt under finishprocessen med 0.2-0.5 mm.
Udover de ovennævnte grunde er driftsteknikken også afgørende i den faktiske drift, og den rigtige driftsmetode kan minimere bøjningen af aluminiumslegeringskomponenter betydeligt.
6. Symmetrisk bearbejdning
For at forbedre varmeafledningen og forhindre termisk deformation i CNC-aluminiumsbearbejdningskomponenter med høje bearbejdningstolerancer skal ekstrem varmekoncentration undgås. Symmetrisk bearbejdning er en teknik, der kan bruges til at gøre dette.
Overvej tilfældet med en 90 mm tyk metalplade, der skal reduceres ned til 60 mm tykkelse. Selvom hver overflade behandles til den endelige størrelse, og den kontinuerlige bearbejdningstolerance er betydelig, vil varmekoncentrationen være et problem, hvis fræsesiden øjeblikkeligt overføres til den anden side, og legeringspladens fladhed vil kun være 5 mm.
Hvis den symmetriske bearbejdningsteknik imidlertid udføres på begge sider, kan hver overflade behandles mindst to gange mere, indtil den endelige størrelse er opnået, hvilket er gunstigt for varmeafledningen, og fladheden kan reguleres til 0.3 mm.
7. Vælg de passende skæreparametre
Skærekraften og den resulterende skærevarme kan reduceres ved at bruge de rigtige skæreparametre. Når skæreparametrene er større end normalt i den mekaniske bearbejdningsproces, vil det resultere i for stor skærekraft. For stor skærekraft kan let forårsage deformation af komponenterne, samt påvirke spindelens stivhed og værktøjets levetid.
Mængden af bagskæringsdybde har den største indflydelse på skærekraften af alle skæreparametrene. Det er vigtigt at reducere antallet af skæreværktøjer for at sikre, at emnerne ikke deformeres. Dette medfører dog en reduktion i bearbejdningseffektiviteten. Denne udfordring kan løses med numerisk styret bearbejdnings højhastighedsfræsning.
Bearbejdning kan sænke skærekraften og sikre bearbejdningseffektiviteten ved at reducere bagskæringsdybden, øge tilspændingen og hæve maskinhastigheden.
8. Vær opmærksom på skæreværktøjets gangsti-sekvens
Skæresekvenser for grovbearbejdning og sletbearbejdning bør være forskellige.
Grovbearbejdning prioriterer bearbejdningseffektivitet og målet om spåntagningshastighed pr. tidsenhed. I de fleste tilfælde kan omvendt fræsning anvendes. (Et omvendt valseværk er en type valseværk, hvor emnet køres mellem et par valser både fremad og bagud. Det omvendte valseværk har fået sit navn fra det faktum, at stålet bevæger sig frem og tilbage mellem valserne og gradvist sænker tykkelsen med hver gennemløb.)
Det vil sige, at overskydende materiale på emnets overflade fjernes så hurtigt og effektivt som muligt, og den geometriske kontur, der kræves til efterbehandling, genereres i det væsentlige.
Når det kommer til finish, bør der lægges vægt på præcision og kvalitet, og der bør anvendes medfræsning. Skæretykkelsen af fræsertænderne falder støt fra maksimum til nul under medfræsning, hvorved graden af hærdning reduceres betydeligt, ligesom graden af komponentdeformation.
9. Dobbelt kompression af tyndvæggede dele
Klemmekraft forårsager deformation under bearbejdning af CNC-aluminiumsbearbejdningskomponenter. Før den endelige størrelse opnås, skal det pressede emne frigøres, og trykket reduceres for at genvinde dets oprindelige form. Derefter skal det andet tryk påføres for at mindske deformationen af emnet, der forårsages af fastspændingen.
Støttefladen er det optimale sted for det andet pressepunkt, og klemkraften bør påføres i retning af maksimal stivhed.
Kompressionskraften skal være tilstrækkelig til at forhindre emnet i at løsne sig, hvis alt er i orden.
Denne procedure kræver brug af dygtige operatører, men den kan sikre, at de bearbejdede CNC-aluminiumsbearbejdningskomponenter deformeres så lidt som muligt.
10. Boring og fræsning
Bearbejdning af hulrum i CNC-aluminiumsbearbejdningskomponenter har sine egne udfordringer. Når fræseren bruges direkte på komponenten, vil skærespånerne ikke være glatte på grund af fræserens manglende fragmenteringsplads. Dette forårsager en enorm mængde skærevarme, som udvider og deformerer CNC-aluminiumsbearbejdningsdelene, samt forårsager skade på komponenten eller værktøjet.
Boring først og derefter fræsning er den bedste teknik til at håndtere dette problem.
Dette indebærer at bore et hul med et værktøj, der ikke er mindre end fræserværktøjet, før fræserværktøjet placeres i hullet for at begynde fræsningen.
11. Brug en speciel skæreolie af aluminiumlegering
Speciel skæreolie er en type væske, der skal bruges i hele CNC-skæreprocessen til smøring, køling og rengøring.
Flere typer kølemidler kan anvendes ved bearbejdning af aluminium.
Vandopløselige blandinger kan med succes anvendes til at sprede varme under skrubbearbejdning, hvor spåntagning er tilstrækkelig til at skabe varme.
Ren mineralsk tætningsolie, en 50-50 blanding af mineralsk tætningsolie og petroleum, en blanding af 10% svinefedtolie og 90% petroleum og en 100-sekunders mineralolie reduceret med mineralsk tætningsolie eller petroleum er nogle andre olier, der kan anbefales.
Nye skæreolier bruger typisk svovlholdige slidlagsstoffer til ekstremt tryk som deres kernekomponenter. Dette skyldes den løbende forbedring af højhastighedsskæreværktøjer, udstyr og processer. Dette hjælper med at beskytte værktøjer i ultrahurtige skæreprocesser, forbedre procesnøjagtigheden og skæreeffektiviteten.
