Aluminium und seine Legierungen finden zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise im Transportwesen, im allgemeinen Maschinenbau, in der Elektrotechnik, im Struktur- und Bauwesen. Es eignet sich auch für die Herstellung heimischer Produkte sowie für Verpackungen im Chemie- und Lebensmittelbereich. Aluminium hat im Vergleich zu anderen Metallen eine geringe Härte und einen hohen Wärmeausdehnungswert. Dies macht die Produktion von Aluminium-Präzisionsbauteilen anfällig für Produktverformungen.
Eine Vielzahl von Faktoren trägt zur Verformung von Präzisionsbauteilen aus Aluminiumlegierungen bei. Zu diesen Faktoren gehören Material, Fertigungsumgebung, Teileform und Schneidflüssigkeitsleistung. Es gibt folgende Möglichkeiten, den Verzug von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen während der CNC-Bearbeitung zu reduzieren:
1. Reduzieren Sie die innere Spannung des Aluminiummaterials
Spannung ist definiert als die Messung der inneren Kräfte, die durch Partikel in einem Material verursacht werden, die Druck aufeinander ausüben. Dehnung ist ein Maß für Spannung, das den Grad der Verformung widerspiegelt, der durch die innere Spannung eines Materials verursacht wird. Dehnung in einem Material wird entweder durch innere oder äußere Kräfte verursacht. Äußere Kräfte üben Spannung auf die Masse des Materials aus (z. B. Schwerkraft) oder auf seine Oberfläche (z. B. Kontaktkräfte, äußerer Druck, Reibung).
Restspannung ist eine häufige Form von Spannung, die häufig beim Herstellungsprozess zurückbleibt. Eigenspannungen verursachen bei dünnen Bauteilen den höchsten Verzug.
Einige der gebräuchlichsten Methoden zum Lösen von Spannungen in Aluminium sind:
- Führen Sie eine Reihe sanfter Schnitte durch, während sich das Bauteil der fertigen Größe nähert. Durch die Spannungsentlastung des Teils zwischen der Grob- und Endbearbeitung können auch Verformungen reduziert oder beseitigt werden, die durch Bearbeitungsspannungen verursacht werden
- Eine weitere gängige Methode zur Spannungsentlastung ist die Vibrationsspannungsentlastung (VSR). Bei der VSR wird das Metall mit einer ausreichenden Amplitude gebogen, um die erzeugte Spannung und die Restspannung zu kombinieren. Dadurch kommt es zu plastischem Fließen, was zu einer Spannungsentlastung führt. Um den Grad der Spannungsentlastung zu optimieren, zielt die VSR auf die Resonanzfrequenz des Metalls ab. Diese nicht-thermische Methode zur Spannungsentlastung wird in der Metallverarbeitung verwendet, um die Maßstabilität und mechanische Integrität zu verbessern. Sie wird insbesondere bei gegossenem, geschmiedetem oder geschweißtem Aluminium eingesetzt. Bei der VSR werden häufig Präzisionskomponenten mit außergewöhnlich engen Maß- oder geometrischen Toleranzen eingesetzt.
- Die Kryotechnik ist eine weitere Methode zum Spannungsabbau, die die Restspannung reduziert und gleichzeitig die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verbessert. Ein Aluminiumgegenstand wird in einen speziellen Tank gegeben und flüssigem Stickstoff ausgesetzt. Abhängig von der Art der Legierung und der Dicke sinkt die Temperatur auf bis zu -300 °F, und das Metall bleibt dort für eine bestimmte Zeitspanne. Anschließend wird die Temperatur schrittweise auf Raumtemperatur erhöht. Die kryogene Methode ist eine Alternative zu den verbreiteteren Techniken der Wärmebehandlung. Auf diese Weise behandeltes Aluminium verformt sich weniger leicht und ist fester und langlebiger. Weitere Vorteile sind weniger Spannungsrisse, ein niedrigerer Reibungskoeffizient und eine erhöhte Schlagfestigkeit. Teile, die auf diese Weise behandelt werden, lassen sich leichter bearbeiten und nachbearbeiten, und fertige Teile haben eine längere Lebensdauer.
- Wärmebehandlungsmethoden für Aluminium
- Glühen. Aluminiumlegierungen werden häufig früh im Herstellungszyklus kaltverfestigt. Die gezielte plastische Verformung eines Werkstücks wird oft als Kaltverfestigung bezeichnet. Durch die Kaltverfestigung wird die Kristallstruktur im Inneren des Metalls verändert und anschließend durch Glühen zurückgesetzt. Das Metall wird bis zu drei Stunden lang auf Temperaturen zwischen 570 °F und 770 °F erhitzt. Dies reduziert die durch den Kaltverfestigungsprozess verursachte Spannung und hilft bei der Lösung von Verwerfungen und anderen Schwierigkeiten.
- Eine weitere Art der Wärmebehandlung ist das Lösungsglühen. Das Metall wird bei hoher Temperatur (zwischen 825 °F und 980 °F) in eine Lösung getaucht und dann abgeschreckt, um die Substanz schnell abzukühlen. Durch diese Falle werden Bestandteile gelöst, die dann ausfallen und so zu einem Aushärtungseffekt führen. Das Metall lässt sich unmittelbar nach dem Abschrecken leicht bearbeiten, härtet jedoch mit der Zeit aus und wird zunehmend schwieriger zu bearbeiten.
2. Verbessern Sie die Schneidleistung des Werkzeugs.
Es ist wichtig, die richtigen Schneidwerkzeuge auszuwählen, um Verformungen bei der Bauteilbearbeitung zu reduzieren. Schneidwerkzeugmaterial und geometrische Faktoren haben einen erheblichen Einfluss auf die Schnittkraft und -wärme.
Geometrische Faktoren, die die Werkzeugeffizienz beeinflussen, sind:
i. Vorderwinkel
Der vordere Winkel muss sorgfältig eingestellt werden, um die Festigkeit der Klinge zu erhalten. Andernfalls würden die scharfen Kanten nachlassen. Der Spanwinkel sollte ausreichend groß sein, um die Festigkeit der Kante zu erhalten. Einerseits kann er zum Schärfen der Kanten verwendet werden. Andererseits kann er auch Schnittverzerrungen verringern, einen reibungslosen Spanabtransport gewährleisten und dann Schnittkraft und Temperatur reduzieren. Die Verwendung von Werkzeugen mit negativem Spanwinkel wird nicht empfohlen.
ii. Winkel hinten
Der hintere Winkel hat einen erheblichen Einfluss auf den Seitenverschleiß und die Verarbeitungsqualität. Bei der Bestimmung des Heckwinkels ist die Schnittstärke ein wesentlicher zu berücksichtigender Faktor. Das verwendete Werkzeug muss über entsprechende Wärmeableitungsbedingungen verfügen, daher sollte ein geringerer Freiwinkel verwendet werden. Dies liegt an der hohen Vorschubgeschwindigkeit, der starken Schnittbelastung und der hohen Wärmeentwicklung beim Schruppfräsen. Beim Feinfräsen sind scharfe Kanten erforderlich, um die Reibung zwischen der Seite und der bearbeiteten Oberfläche sowie die elastische Verformung zu verringern. Daher sollte ein größerer Freiwinkel gewählt werden.
iii. Helixwinkel
Der Spiralwinkel muss so groß wie möglich sein, um ein gleichmäßiges Fräsen und eine geringere Fräskraft zu gewährleisten.
iv. Hauptabweichungswinkel
Eine entsprechende Verringerung des primären Ablenkwinkels kann die Wärmeableitungsbedingungen verbessern und die Durchschnittstemperatur im Verarbeitungsbereich senken.
3. Die Spanntechniken für Werkstücke sollten verbessert werden
Bei bestimmten dünnwandigen Aluminiumbauteilen mit geringer Steifigkeit können die unten beschriebenen Klemmmethoden eingesetzt werden, um die Verformung zu verringern:
Selbstzentrierendes Dreibackenfutter
- Wenn ein selbstzentrierendes Dreibackenfutter oder ein Federfutter verwendet wird, um dünnwandige CNC-Bearbeitungsbuchsenkomponenten aus radialer Richtung zu spannen, wird sich das Werkstück zweifellos verziehen, sobald es nach der Bearbeitung freigegeben wird.
Es sollte eine Methode zum Pressen der axialen Endfläche mit guter Steifigkeit angewendet werden. Ein Gewindedorn wird hergestellt, um das innere Loch des Teils basierend auf der Position des inneren Lochs des Teils zu finden. Er sollte in das innere Loch des Teils eingeführt werden. Die Endfläche wird mit der Abdeckplatte zusammengedrückt und die Mutter wird nach hinten festgezogen, wobei die Deformation durch Lösen der Klemmung beim Bearbeiten des Außenkreises verhindert und eine Bearbeitungspräzision erreicht werden kann.
- Sofern keine dünnwandigen Blechteile verarbeitet werden, empfiehlt es sich, Vakuumsauger einzusetzen, um eine gleichmäßigere Spannkraftverteilung zu erreichen, und anschließend mit einer geringeren Schnittmenge zu bearbeiten, um eine Verformung des Teils zu vermeiden.
Alternativ können Füllverfahren eingesetzt werden. Um die Prozesssteifigkeit dünnwandiger Werkstücke zu erhöhen, können Medien in das Werkstück eingebracht werden, um die Verformung des Werkstücks beim Spannen und Schneiden zu verringern. Beispielsweise kann man eine Harnstoffschmelze mit 3 bis 6 % Kaliumnitrat in das Werkstück gießen. Nach der Bearbeitung das Werkstück in Wasser oder Alkohol eintauchen, dann den Spachtel auflösen und abtropfen lassen.
4. Verbessern Sie das Design von Schneidwerkzeugen
Schneidewerkzeuge
- Reduzieren Sie die Anzahl der Fräserzähne und vergrößern Sie gleichzeitig den Spanraum.
Aufgrund der hohen Plastizität des Aluminiumwerkstoffs und der hohen Schnittverformung bei der Bearbeitung ist eine größere Spanfläche erforderlich.
Daher sollte der Radius des Bodens der Spannut größer sein, die Anzahl der Fräszähne jedoch kleiner. Der Radius des Tankbodens sollte vergrößert werden, während die Anzahl der Fräszähne verringert wird. Um die Verformung dünnwandiger Komponenten aus Aluminiumlegierungen aufgrund von Spanblockaden zu minimieren, werden bei einem Fräser von 20 mm oder weniger zwei Schneidzähne und bei einem Fräser von 30 bis 60 mm drei Schneidzähne verwendet.
- Schärfen Sie die Zähne fein.
Die Schneidkante hat eine Rauheit von Ra=0.4 um oder weniger. Bevor Sie ein frisches Schneidwerkzeug verwenden, sollten Sie die Vorder- und Rückseite der Schneidzähne ein paar Mal vorsichtig mit feinem Asphalt abreiben, um etwaige Grate oder kleinere gezackte Markierungen zu entfernen, die nach dem Schleifen der Werkzeugzähne zurückgeblieben sein könnten. Durch diese Methode wird die Schneidwärme gesenkt und der Schnittverzug minimiert.
- Kontrollieren Sie den Verschleißstandard des Werkzeugs so streng wie möglich.
Die Oberflächenrauheit des Werkstücks steigt mit dem Verschleiß des Werkzeugs, zusammen mit der Schnitttemperatur und der Verformung des Werkstücks. Daher sollte neben der Auswahl von Werkzeugmaterialien mit hoher Verschleißfestigkeit der Verschleißstandard des Werkzeugs nicht größer als 0.2 mm sein, da sonst leicht Spankanten entstehen. Um Verformungen zu vermeiden, sollte die Temperatur des behandelten Werkstücks beim Schneiden mit CNC-Fräsen oder CNC-Drehen 100 °C nicht überschreiten.
5. Organisieren Sie den Produktionsprozess angemessen
Aufgrund der großen Bearbeitungszugabe und des intermittierenden Schneidens treten beim Fräsen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden häufig Vibrationen auf. Dies wirkt sich auf die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenrauheit aus. Daher wird der CNC-Hochgeschwindigkeitsschneidprozess grob in die folgenden Kategorien eingeteilt: Grobbearbeitung, Halbfertigbearbeitung, Bearbeitung klarer Ecken und Endbearbeitung. Bei Werkstücken, die ein hohes Maß an Präzision erfordern, kann es wichtig sein, vor der Endbearbeitung einen zweiten Vorbearbeitungsschritt durchzuführen. Die Teile können nach der Grobbearbeitung auf natürliche Weise abkühlen, um innere Spannungen und Verformungen zu reduzieren.
Nach der Grobbearbeitung sollte der Restrand größer als die Verformung sein, im Allgemeinen 1–2 mm. Die Oberfläche des Teils sollte während der gesamten Endbearbeitung homogen sein.
Im Allgemeinen ist es die beste Technik, das Werkzeug während des Endbearbeitungsprozesses mit 0.2–0.5 mm ruhig zu halten, um Schnittverformungen zu reduzieren, eine hohe Oberflächenbearbeitungsqualität zu erreichen und die Produktkorrektheit aufrechtzuerhalten.
Abgesehen von den oben genannten Gründen ist die Operationstechnik auch im realen Betrieb von entscheidender Bedeutung, und die richtige Operationsmethode kann die Biegung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen deutlich minimieren.
6. Symmetrische Bearbeitung
Um die Wärmeableitung zu verbessern und thermische Verformungen bei CNC-Aluminiumbearbeitungskomponenten mit hohen Bearbeitungszugaben zu verhindern, muss eine extreme Wärmekonzentration vermieden werden. Die symmetrische Verarbeitung ist eine Technik, die hierfür verwendet werden kann.
Betrachten wir den Fall einer 90 mm dicken Metallplatte, die auf 60 mm Dicke reduziert werden muss. Auch wenn jede Oberfläche auf die endgültige Größe bearbeitet wird und die kontinuierliche Bearbeitungszugabe beträchtlich ist, wird die Wärmekonzentration ein Problem darstellen, wenn die Frässeite sofort auf die andere Seite übertragen wird, und die Ebenheit der Legierungsplatte wird nur 5 mm betragen
Wenn jedoch die symmetrische Bearbeitungstechnik auf beiden Seiten durchgeführt wird, kann jede Oberfläche mindestens zweimal bearbeitet werden, bis die endgültige Größe erreicht ist, was die Wärmeableitung begünstigt und die Ebenheit auf 0.3 mm eingestellt werden kann.
7. Wählen Sie die passenden Schnittparameter aus
Die Schnittkraft und die entstehende Schnittwärme können durch die Verwendung der richtigen Schnittparameter verringert werden. Wenn die Schnittparameter im mechanischen Bearbeitungsprozess größer als üblich sind, führt dies zu einer übermäßigen Schnittkraft. Eine übermäßige Schnittkraft kann leicht zu einer Verformung der Komponenten führen und die Steifigkeit der Spindel und die Lebensdauer des Werkzeugs beeinträchtigen.
Die Höhe der Rückschnitttiefe hat von allen Schnittparametern den größten Einfluss auf die Schnittkraft. Um sicherzustellen, dass sich die Teile nicht verformen, ist es wichtig, die Anzahl der Schneidwerkzeuge zu verringern. Dies führt jedoch zu einer Verringerung der Verarbeitungseffizienz. Diese Herausforderung kann mit dem Hochgeschwindigkeitsfräsen der numerischen Steuerung gelöst werden.
Durch die Bearbeitung kann die Schnittkraft gesenkt und die Bearbeitungseffizienz sichergestellt werden, indem die Hinterschnitttiefe verringert, der Vorschub erhöht und die Maschinengeschwindigkeit erhöht wird.
8. Beachten Sie die Laufwegsequenz des Schneidwerkzeugs
Die Schnittfolgen für die Grob- und Endbearbeitung sollten unterschiedlich sein.
Bei der Grobbearbeitung stehen die Bearbeitungseffizienz und das Ziel der Abtragsrate pro Zeiteinheit im Vordergrund. In den meisten Fällen kann das Rückwärtsfräsen verwendet werden. (Ein Reversierwalzwerk ist eine Art Walzwerk, bei dem das Werkstück zwischen einem Walzenpaar vorwärts und rückwärts geführt wird. Der Reversierwalzwerk hat seinen Namen von der Tatsache, dass der Stahl zwischen den Walzen hin- und herläuft und dabei die Dicke allmählich verringert mit jedem Durchgang)
Das heißt, das überschüssige Material auf der Oberfläche des Rohlings wird so schnell und effizient wie möglich entfernt und im Wesentlichen die für die Endbearbeitung erforderliche geometrische Kontur erzeugt.
Bei der Endbearbeitung sollte der Schwerpunkt auf Präzision und Qualität liegen und Gleichlauffräsen zum Einsatz kommen. Die Schnittdicke der Fräserzähne sinkt beim Gleichlauffräsen stetig vom Maximum auf Null, wodurch der Grad der Kaltverfestigung sowie der Grad der Bauteilverformung erheblich reduziert werden.
9. Zweifache Verdichtung dünnwandiger Teile
Die Spannkraft führt bei der Bearbeitung von CNC-Aluminiumbearbeitungskomponenten zu Verformungen. Bevor die endgültige Größe erreicht ist, sollte das gepresste Stück entspannt und der Druck verringert werden, um es wieder in seine ursprüngliche Form zu bringen. Anschließend sollte der zweite Druck ausgeübt werden, um die durch das Spannen entstehende Verformung des Werkstücks zu verringern.
Die Auflagefläche ist der optimale Ort für den zweiten Presspunkt und die Spannkraft sollte in Richtung maximaler Steifigkeit aufgebracht werden.
Wenn alles in Ordnung ist, sollte die Druckkraft ausreichend sein, um ein Lösen des Werkstücks zu verhindern.
Dieses Verfahren erfordert den Einsatz erfahrener Bediener, kann jedoch sicherstellen, dass die verarbeiteten CNC-Aluminiumbearbeitungskomponenten so wenig wie möglich deformiert werden.
10 Bohren und Fräsen
Die Bearbeitung von Hohlräumen in CNC-Aluminiumbearbeitungskomponenten bringt ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Wenn der Fräser direkt auf dem Bauteil verwendet wird, sind die Schneidspäne aufgrund des fehlenden Fragmentierungsraums des Fräsers nicht glatt. Dies führt dazu, dass sich eine enorme Schnittwärme aufbaut, die die CNC-Aluminiumbearbeitungsteile ausdehnt und verformt und außerdem das Bauteil oder das Werkzeug beschädigt.
Das erste Bohren und anschließende Fräsen ist die beste Technik, um dieses Problem zu lösen.
Dabei wird mit einem Werkzeug, das nicht kleiner als der Fräser ist, ein Loch gebohrt, bevor der Fräser in das Loch eingesetzt wird, um mit dem Fräsen zu beginnen.
11 Verwenden Sie spezielles Schneidöl für Aluminiumlegierungen
Spezialschneidöl ist eine Art Flüssigkeit, die während des gesamten CNC-Schneideprozesses zur Schmierung, Kühlung und Reinigung verwendet werden muss.
Bei der Bearbeitung von Aluminium können verschiedene Arten von Kühlmitteln verwendet werden.
Wasserlösliche Mischungen können erfolgreich zur Wärmeableitung bei der Grobbearbeitung eingesetzt werden, wenn der Materialabtrag ausreicht, um Wärme zu erzeugen.
Reines mineralisches Robbenöl, eine 50:50-Mischung aus mineralischem Robbenöl und Kerosin, eine Mischung aus 10 % Schmalzöl und 90 % Kerosin sowie ein 100-Sekunden-Mineralöl, reduziert mit mineralischem Robbenöl oder Kerosin, sind weitere Öle, die möglicherweise verwendet werden beraten werden.
Neue Schneidöle enthalten typischerweise schwefelhaltige Hochdruck-Verschleißschutzadditive als Kernbestandteile. Dies ist auf die kontinuierliche Verbesserung von Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen, -geräten und -prozessen zurückzuführen. Dies trägt zum Schutz der Werkzeuge im Ultrahochgeschwindigkeits-Schneidprozess bei und verbessert die Prozessgenauigkeit und Schneideffizienz.
