Alumiinilla ja sen seoksilla on lukuisia sovelluksia eri aloilla, kuten kuljetuksessa, yleisessä konepajatekniikassa, sähkö-, rakenne- ja rakennusaloilla. Se on hyödyllinen myös kotitaloustuotteiden valmistuksessa sekä kemian- ja elintarviketeollisuuden pakkauksissa. Alumiinilla on muihin metalleihin verrattuna alhainen kovuus ja korkea lämpölaajenemisarvo. Tämä tekee alumiinisten tarkkuuskomponenttien valmistuksesta alttiita tuotteen muodonmuutokselle.
Alumiiniseoksesta valmistettujen tarkkuuskomponenttien muodonmuutokseen vaikuttaa useita tekijöitä. Näitä tekijöitä ovat materiaali, valmistusympäristö, osan muoto ja leikkuunesteen ominaisuudet. Seuraavassa on tapoja vähentää alumiiniseoksesta valmistettujen komponenttien muodonmuutoksia CNC-työstön aikana:
1. Vähennä alumiinimateriaalin sisäistä jännitystä
Jännitys määritellään materiaalin hiukkasten toisiinsa kohdistamien sisäisten voimien mittaukseksi. Venymä on jännityksen mitta, joka heijastaa materiaalin sisäisen jännityksen aiheuttaman muodonmuutoksen astetta. Materiaalin venymän aiheuttavat joko sisäiset tai ulkoiset voimat. Ulkoiset voimat kohdistavat jännitystä materiaalin massaan (esim. painovoima) tai sen pintaan (esim. kosketusvoimat, ulkoinen paine, kitka).
Jäännösjännitys on yleinen jännityksen muoto, joka jää usein jäljelle valmistusprosessista. Jäännösjännitys aiheuttaa suurimmat muodonmuutokset ohuissa komponenteissa.
Joitakin yleisimpiä menetelmiä alumiinin jännityksen vapauttamiseksi ovat:
- Sarjan loivien leikkausten tekeminen komponentin lähestyessä valmista kokoa. Jännitysten poisto karkean ja viimeistelykoneistuksen välillä voi myös vähentää tai poistaa koneistusjännitysten aiheuttamia muodonmuutoksia.
- Värähtelyjännityksen poisto (VSR) on myös toinen yleinen tapa jännityksen poistoon. VSR:ssä metallia taivutetaan riittävällä amplitudilla, jotta syntyvä ja jäännösjännitys yhdistyvät. Tämän seurauksena tapahtuu plastista virtausta, mikä johtaa jännityksen lievittymiseen. Jännityksen poiston optimoimiseksi VSR kohdistuu metallin resonanssitaajuuteen. Tätä ei-lämpöjännityksen poistomenetelmää käytetään metallintyöstössä mittapysyvyyden ja mekaanisen eheyden parantamiseksi. Sitä käytetään erityisesti valetun, taotun tai hitsatun alumiinin kanssa. VSR:ssä käytetään usein tarkkuuskomponentteja, joilla on poikkeuksellisen tiukat mitta- tai geometriset toleranssit.
- Kryogeniikka on toinen jännityksenpoistomenetelmä, joka vähentää jäännösjännitystä ja parantaa kulumis- ja korroosionkestävyyttä. Alumiiniesine asetetaan erityiseen säiliöön ja altistetaan nestemäiselle typelle. Seoksen tyypistä ja paksuudesta riippuen lämpötila laskee jopa -300 °C:seen, ja metalli jätetään sinne tietyn ajan. Lämpötilaa nostetaan sitten vähitellen huoneenlämpötilaan. Kryogeeninen menetelmä on vaihtoehto yleisemmille lämpökäsittelytekniikoille. Tällä tavoin käsitellyllä alumiinilla on vähemmän muodonmuutosmahdollisuuksia ja se on vahvempaa ja kestävämpää. Muita etuja ovat vähemmän jännitysmurtumia, pienempi kitkakerroin ja lisääntynyt iskunkestävyys. Tällä tavoin käsitellyt osat ovat helpommin työstettäviä ja oikaisevia, ja valmiilla osilla on pidempi käyttöikä.
- Alumiinin lämpökäsittelymenetelmät
- Hehkutus. Alumiiniseokset usein muokkauslujitetaan valmistussyklin alkuvaiheessa. Työkappaleen tarkoituksellista plastista muodonmuutosta kuvataan usein venytyslujittumiseksi. Venytyslujittuminen muuttaa metallin sisällä olevaa kiteistä rakennetta, joka myöhemmin palautetaan alkutilaan hehkuttamalla. Metallia kuumennetaan jopa kolme tuntia 570–770 °C:n lämpötiloihin. Tämä vähentää muokkauslujittumisprosessin aiheuttamaa jännitystä ja auttaa vääntymisen ja muiden ongelmien ratkaisemisessa.
- Liuoslämpökäsittely on toinen lämpökäsittelytyyppi. Metalli upotetaan korkeassa lämpötilassa olevaan liuokseen (825–980 °C) ja sitten sammutetaan aineen nopeaksi jäähdyttämiseksi. Tämä vangitsee liuenneet komponentit, jotka sitten saostuvat ulos, mikä johtaa ikääntymiskarkenemiseen. Metallia on helppo työstää heti sammutuksen jälkeen, mutta se kovettuu ajan myötä ja sen työstämisestä tulee yhä vaikeampaa.
2. Paranna työkalun leikkaustehokkuutta.
On erittäin tärkeää valita oikeat leikkaustyökalut komponenttien koneistuksen muodonmuutosten vähentämiseksi. Leikkaustyökalun materiaalilla ja geometrisilla tekijöillä on merkittävä vaikutus leikkausvoimaan ja -lämpöön.
Työkalun tehokkuuteen vaikuttavat geometriset tekijät ovat:
i. Etukulma
Etukulma on asetettava huolellisesti terän lujuuden säilyttämiseksi, muuten terävät reunat heikkenevät. Harjakulman tulee olla riittävän suuri terän lujuuden säilyttämiseksi. Toisaalta sitä voidaan käyttää reunojen teroittamiseen. Toisaalta se voi myös vähentää leikkausvääristymiä, varmistaa sujuvan lastunpoiston ja siten alentaa leikkausvoimaa ja lämpötilaa. Negatiivisen harjakulman omaavien työkalujen käyttöä ei suositella.
ii. Takakulma
Takakulmalla on merkittävä vaikutus sivukulumiseen ja työstölaatuun. Takakulmaa määritettäessä leikkauspaksuus on olennainen tekijä, joka on otettava huomioon. Käytettävällä työkalulla on oltava asianmukaiset lämmönpoisto-olosuhteet, joten tulisi käyttää pienempää takakulmaa. Tämä johtuu suuresta syöttönopeudesta, suuresta leikkauskuormasta ja suuresta lämmöntuotannosta karkeajyrsinnässä. Hienojyrsinnässä tarvitaan teräviä reunoja, jotta sivun ja työstetyn pinnan välinen kitka sekä elastinen muodonmuutos vähenevät. Siksi tulisi valita suurempi takakulma.
iii. Helix-kulma
Kierrekulman on oltava mahdollisimman suuri, jotta jyrsintä sujuu tasaisesti ja jyrsintävoima on pienempi.
iv. Pääpoikkeamakulma
Ensisijaisen poikkeamakulman asianmukainen pienentäminen voi parantaa lämmönpoisto-olosuhteita ja alentaa käsittelyalueen keskilämpötilaa.
3. Työkappaleen kiinnitystekniikoita tulisi parantaa
Tietyissä ohutseinäisissä, jäykistämättömissä alumiinikomponenteissa voidaan käyttää alla kuvattuja kiinnitysmenetelmiä muodonmuutoksen vähentämiseksi:
Kolmileukainen itsekeskittävä istukka
- Jos ohutseinäisten CNC-työstöholkkien osien kiinnittämiseen säteittäissuunnassa käytetään kolmileukaista itsekeskittyvää istukkaa tai jousi-istukkaa, työkappale vääristyy epäilemättä, kun se irrotetaan työstämisen jälkeen.
Aksiaalisen päätypinnan puristamiseksi hyvällä jäykkyydellä tulisi käyttää menetelmää. Kierteitetty kara valmistetaan osan sisäreiän löytämiseksi osan sisäreiän sijainnin perusteella. Se tulee työntää osan sisäreikään. Päätypinta puristetaan peitelevyä vasten ja mutteri kiristetään taaksepäin, jolloin irtoamisen muodonmuutos voidaan estää ulkoympyrän työstössä ja saavutetaan työstötarkkuus.
- Ellei kyseessä ole ohutseinäisten levykomponenttien työstäminen, on suositeltavaa käyttää imukuppeja tasaisemmin jakautuneen puristusvoiman saavuttamiseksi ja käsitellä sitten pienemmällä leikkausmäärällä osan muodonmuutoksen välttämiseksi.
Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää täyttömenetelmiä. Ohutseinäisten työkappaleiden prosessijäykkyyden lisäämiseksi työkappaleeseen voidaan syöttää väliainetta, joka vähentää työkappaleen muodonmuutosta puristuksen ja leikkauksen aikana. Työkappaleeseen voidaan esimerkiksi kaataa ureasulaa, joka sisältää 3–6 % kaliumnitraattia. Käsittelyn jälkeen työkappale upotetaan veteen tai alkoholiin, minkä jälkeen täyteaine liuotetaan ja valutetaan pois.
4. Paranna leikkaustyökalujen suunnittelua
Leikkaustyökalut
- Vähennä jyrsimen hampaiden määrää ja lisää samalla lastunpitotilaa.
Suurempi lastupinta-ala on välttämätön alumiinimateriaalin suuren plastisuuden ja suuren leikkausmuodonmuutoksen vuoksi prosessoinnin aikana.
Näin ollen lastu-uran pohjan säteen tulisi olla suurempi, mutta jyrsimen hampaiden lukumäärän tulisi olla pienempi. Säiliön pohjan sädettä tulisi suurentaa ja jyrsimen hampaiden lukumäärää vähentää. Alumiiniseoksesta valmistettujen ohutseinäisten komponenttien lastutukkeutumisesta johtuvien muodonmuutosten minimoimiseksi käytetään 20 mm:n tai sitä pienemmässä jyrsimessä kahta leikkuuhammasta ja 30–60 mm:n jyrsimessä kolmea leikkuuhammasta.
- Teroita hampaat hienoksi.
Leikkuusärmän karheus on Ra = 0.4 µm tai vähemmän. Ennen uuden leikkuutyökalun käyttöä on tehtävä muutamia varovia hankausliikkeitä hienolla asfaltilla leikkurin hampaiden etu- ja takapuolelle mahdollisten purseiden tai pienten sahalaitaisten jälkien poistamiseksi, joita on saattanut jäädä työkalun hampaiden hiomisen jälkeen. Leikkauslämpö ja leikkausvääristymät minimoituvat tämän menetelmän ansiosta.
- Valvo työkalun kulumisstandardia mahdollisimman tarkasti.
Työkappaleen pinnan karheus kasvaa työkalun kuluessa yhdessä leikkauslämpötilan ja työkappaleen muodonmuutoksen kanssa. Tämän seurauksena työkalumateriaalien valinnan lisäksi, joilla on hyvä kulutuskestävyys, työkalun kulumisstandardin ei tulisi olla yli 0.2 mm, muuten lastuja syntyy helposti. Vääristymien välttämiseksi käsitellyn työkappaleen lämpötilan ei tulisi ylittää 100 °C:a CNC-jyrsinnällä tai CNC-sorvauksella työstettävän kappaleen aikana.
5. Järjestä tuotantoprosessi asianmukaisesti
Suurnopeusjyrsinnän aikana esiintyy usein tärinää suuren työstövaran ja ajoittaisen leikkauksen vuoksi. Tämä vaikuttaa työstötarkkuuteen ja pinnan karheuteen. Tämän seurauksena CNC-suurnopeusleikkausprosessi luokitellaan karkeasti seuraavasti: karkea työstö - välityöstö - selkeiden kulmien työstö - viimeistely. Korkeaa tarkkuutta vaativien kappaleiden viimeistelyyn voi olla tarpeen suorittaa toinen välityöstövaihe. Kappaleiden annetaan jäähtyä luonnollisesti karkeatyöstön jälkeen sisäisen jännityksen ja muodonmuutoksen vähentämiseksi.
Karkeakoneistuksen jälkeen jäännösvaran tulisi olla suurempi kuin vääristymä, yleensä 1–2 mm. Kappaleen pinnan tulisi olla tasainen koko viimeistelyn ajan.
Yleisesti ottaen työkalun pitäminen vakaana viimeistelyprosessin aikana 0.2–0.5 mm:n viilauksella on paras tekniikka leikkausmuodonmuutosten vähentämiseksi, korkean pinnankäsittelylaadun saavuttamiseksi ja tuotteen virheettömyyden ylläpitämiseksi.
Edellä mainittujen syiden lisäksi myös käyttötekniikka on ratkaisevan tärkeää todellisessa käytössä, ja oikea käyttötapa voi merkittävästi minimoida alumiiniseoskomponenttien taipumisen.
6. Symmetrinen työstö
Lämmön haihtumisen parantamiseksi ja lämpömuodonmuutoksen estämiseksi CNC-työstetyissä alumiinikomponenteissa, joissa on suuret työstövarat, on vältettävä äärimmäistä lämmön keskittymistä. Tähän voidaan käyttää symmetristä työstötekniikkaa.
Tarkastellaan tapausta, jossa 90 mm paksu metallilevy on ohennettava 60 mm:n paksuuteen. Vaikka jokainen pinta käsitellään lopulliseen kokoonsa ja jatkuva työstövara on huomattava, jos jyrsintäpuoli siirtyy välittömästi toiselle puolelle, lämmön keskittyminen on ongelma, ja seoslevyn tasaisuus on vain 5 mm.
Jos kuitenkin symmetrinen käsittelytekniikka suoritetaan molemmilta puolilta, jokainen pinta voidaan käsitellä vähintään kaksi kertaa lisää, kunnes lopullinen koko on saavutettu, mikä edistää lämmön haihtumista ja tasaisuutta voidaan säätää 0.3 mm:iin.
7. Valitse sopivat leikkausparametrit
Leikkausvoimaa ja siitä syntyvää leikkauslämpöä voidaan vähentää käyttämällä oikeita leikkausparametreja. Kun leikkausparametrit ovat mekaanisessa käsittelyprosessissa tavallista suurempia, se johtaa liialliseen leikkausvoimaan. Liiallinen leikkausvoima voi helposti aiheuttaa komponenttien muodonmuutoksia sekä vaikuttaa karan jäykkyyteen ja työkalun käyttöikään.
Kaikista leikkausparametreista takaisinlastussyvyydellä on suurin vaikutus leikkausvoimaan. Lastuamistyökalujen määrän vähentäminen on välttämätöntä, jotta kappaleet eivät vääristy. Tämä kuitenkin heikentää prosessointitehokkuutta. Tämä haaste voidaan ratkaista numeerisesti ohjatun koneistuksen suurnopeusjyrsinnällä.
Koneistus voi pienentää leikkausvoimaa ja varmistaa prosessoinnin tehokkuuden pienentämällä vastaleikkaussyvyyttä, lisäämällä syöttöä ja nostamalla koneen nopeutta.
8. Huomioi leikkaustyökalun kävelypolun järjestys
Karkeakoneistuksen ja viimeistelyn leikkaussekvenssien tulee olla selkeät.
Karkea työstö asettaa etusijalle työstötehokkuuden ja tavoitteen poistaa materiaalia aikayksikköä kohti. Useimmissa tapauksissa voidaan käyttää käänteisjyrsintää. (Käänteinen jyrsin on valssimyllytyyppi, jossa työkappaletta liikutetaan valssiparin välissä sekä eteen- että taaksepäin. Käänteinen jyrsin on saanut nimensä siitä, että teräs liikkuu edestakaisin valssien välissä, jolloin paksuus pienenee vähitellen jokaisella läpimenolla.)
Eli aihion pinnalla oleva ylimääräinen materiaali poistetaan mahdollisimman nopeasti ja tehokkaasti, ja viimeistelyyn tarvittava geometrinen ääriviiva olennaisesti luodaan.
Viimeistelyssä tulisi painottaa tarkkuutta ja laatua, ja tulisi käyttää myötäjyrsintää. Jyrsimen hampaiden lastuamispaksuus laskee tasaisesti maksimista nollaan myötäjyrsinnän aikana, joten muokkauslujittuminen ja komponentin muodonmuutosaste pienenevät huomattavasti.
9. Ohutseinäisten osien kaksinkertainen puristus
Puristusvoima aiheuttaa muodonmuutoksia CNC-alumiinikomponenttien työstössä. Ennen lopullisen koon saavuttamista puristettu kappale on irrotettava ja painetta on vähennettävä, jotta se palautuu alkuperäiseen muotoonsa. Sitten on käytettävä toista puristusvoimaa puristuksen aiheuttaman työkappaleen muodonmuutoksen vähentämiseksi.
Tukipinta on optimaalinen paikka toiselle puristuspisteelle, ja puristusvoima tulisi kohdistaa maksimaalisen jäykkyyden suuntaan.
Puristusvoiman tulee olla riittävä estämään työkappaleen löystymisen, jos kaikki on kunnossa.
Tämä menetelmä vaatii ammattitaitoisten käyttäjien käyttöä, mutta se voi varmistaa, että käsitellyt CNC-alumiinityöstökomponentit muuttuvat mahdollisimman vähän.
10. Poraus ja jyrsintä
CNC-alumiinikomponenttien onteloiden työstämisessä on omat haasteensa. Aina kun jyrsintä käytetään suoraan komponentissa, leikkauslastut eivät ole tasaisia jyrsimen vähäisen sirpaletilan vuoksi. Tämä aiheuttaa valtavan määrän leikkauslämmön kertymistä, mikä laajentaa ja muuttaa CNC-alumiinikoneistettuja osia sekä vahingoittaa komponenttia tai työkalua.
Paras tapa ratkaista tämä ongelma on ensin porata ja sitten jyrsiä.
Tämä tarkoittaa reiän poraamista työkalulla, joka ei ole pienempi kuin jyrsintä, ennen jyrsimen asettamista reikään jyrsinnän aloittamiseksi.
11. Käytä erityistä alumiiniseosten leikkausöljyä
Erityinen leikkuuöljy on neste, jota on käytettävä koko CNC-leikkausprosessin ajan voiteluun, jäähdytykseen ja puhdistukseen.
Alumiinin työstössä voidaan käyttää useita erityyppisiä jäähdytysnesteitä.
Vesiliukoisia seoksia voidaan käyttää onnistuneesti lämmön haihduttamiseen karkean koneistuksen aikana, kun materiaalinpoisto riittää lämmön tuottamiseen.
Muita suositeltavia öljyjä ovat puhdas mineraalitiivisteöljy, mineraalitiivisteöljyn ja kerosiinin 50–50-seos, 10 % laardiöljyn ja 90 % kerosiinin seos sekä 100 sekunnin mineraaliöljy, johon on laimennettu mineraalitiivisteöljyä tai kerosiinia.
Uudet leikkuuöljyt käyttävät tyypillisesti rikitettyjä äärimmäisen paineen kulumisenestoaineita ydinainesosinaan. Tämä johtuu suurnopeusleikkaustyökalujen, -laitteiden ja -prosessien jatkuvasta parantamisesta. Tämä auttaa suojaamaan työkaluja erittäin nopeassa leikkausprosessissa, parantamaan prosessin tarkkuutta ja leikkaustehokkuutta.
