Алюминий и его сплавы находят множество применений в различных отраслях, например, в транспорте, общем машиностроении, электротехнике, строительстве. Он также полезен при производстве бытовой продукции, а также для упаковки в химической и пищевой промышленности. Алюминий по сравнению с другими металлами имеет низкую твердость и высокое значение теплового расширения. Это делает производство прецизионных деталей из алюминия уязвимым к деформации изделия.
Деформации прецизионных деталей из алюминиевых сплавов способствуют различные факторы. К этим факторам относятся материал, производственная среда, форма детали и характеристики смазочно-охлаждающей жидкости. Ниже приведены способы уменьшения искажений деталей из алюминиевых сплавов при обработке на станках с ЧПУ:
1. Уменьшите внутреннее напряжение алюминиевого материала.
Напряжение определяется как измерение внутренних сил, вызванных частицами внутри материала, оказывающими давление друг на друга. Деформация — это мера напряжения, которая отражает степень деформации, вызванной внутренним напряжением материала. Деформация в материале вызывается либо внутренними, либо внешними силами. Внешние силы прикладывают напряжение к массе материала (например, сила тяжести) или к его поверхности (например, контактные силы, внешнее давление, трение).
Остаточное напряжение — это распространенная форма напряжения, которая обычно остается после производственного процесса. Остаточные напряжения вызывают наибольшие искажения в тонких компонентах.
Некоторые из наиболее распространенных методов снятия напряжения в алюминии:
- Выполнение серии небольших надрезов по мере приближения детали к завершенному размеру. Снятие напряжения детали между черновой и чистовой обработкой также может уменьшить или устранить искажения, вызванные механическими напряжениями.
- Вибрационное снятие напряжения (VSR) также является еще одним распространенным способом снятия напряжения. VSR включает изгиб металла с достаточной амплитудой для объединения созданного и остаточного напряжения. В результате возникает пластическое течение, что приводит к снятию напряжения. Чтобы оптимизировать величину снятия напряжения, VSR нацеливается на резонансную частоту металла. Этот нетермический метод снятия напряжения используется в металлообработке для улучшения размерной стабильности и механической целостности. Он используется, в частности, для литого, кованого или сварного алюминия. Прецизионные компоненты с исключительно жесткими размерными или геометрическими допусками часто используются с VSR.
- Криогеника — еще один метод снятия напряжений, который снижает остаточное напряжение вместе с улучшением износостойкости и коррозионной стойкости. Алюминиевый предмет помещают в специальный резервуар и подвергают воздействию жидкого азота. В зависимости от типа сплава и толщины температура падает до -300°F, и металл остается там на определенный период времени. Затем температуру постепенно повышают до комнатной. Криогенный метод является альтернативой более распространенным методам термической обработки. Обработанный таким образом алюминий имеет меньшую вероятность деформации, он более прочный и долговечный. Другие преимущества включают меньшее растрескивание под напряжением, более низкий коэффициент трения и повышенную ударопрочность. Детали, с которыми обращаются таким образом, лучше поддаются механической обработке и исправлению, а готовые детали имеют более длительный срок службы.
- Методы термообработки алюминия
- Отжиг. Алюминиевые сплавы часто подвергаются закалке на ранних стадиях производственного цикла. Намеренная пластическая деформация заготовки часто называется деформационным упрочнением. Деформационное упрочнение изменяет кристаллическую структуру внутри металла и впоследствии восстанавливается путем отжига. Металл нагревается до трех часов при температуре от 570°F до 770°F. Это снижает напряжение, вызванное процессом наклепа, и помогает устранить коробление и другие трудности.
- Термическая обработка на раствор – это еще один вид термообработки. Металл погружают в раствор при высокой температуре (от 825°F до 980°F), а затем закаливают для быстрого охлаждения вещества. Эта ловушка растворяет компоненты, которые затем выпадают в осадок, что приводит к эффекту старения. С металлом легко работать сразу после закалки, но со временем он затвердевает, и работать с ним становится все труднее.
2. Повышение эффективности резки инструмента.
Крайне важно выбрать правильный режущий инструмент, чтобы уменьшить деформацию деталей при обработке. Материал режущего инструмента и геометрические факторы оказывают значительное влияние на силу резания и нагрев.
Геометрическими факторами, влияющими на эффективность инструмента, являются:
i. Передний угол
Передний угол должен быть тщательно установлен, чтобы сохранить прочность лезвия; в противном случае острые края ухудшатся. Передний угол должен быть достаточно большим, чтобы сохранить прочность кромки. С одной стороны, его можно использовать для заточки краев. С другой стороны, он также может уменьшить искажение резки, обеспечить плавное удаление стружки, а затем уменьшить силу резания и температуру. Использование инструментов с отрицательным передним углом не рекомендуется.
II. Задний угол
Задний угол существенно влияет на боковой износ и качество обработки. При определении заднего угла важным фактором, который следует учитывать, является толщина реза. Используемый инструмент должен иметь соответствующие условия отвода тепла, поэтому следует использовать меньший задний угол. Это связано с высокой скоростью подачи, сильной режущей нагрузкой и высоким выделением тепла при черновом фрезеровании. Острые кромки необходимы при тонком фрезеровании для уменьшения трения между стороной и обрабатываемой поверхностью, а также упругой деформации. Следовательно, следует выбирать более широкий задний угол.
III. Угол спирали
Угол спирали должен быть настолько большим, насколько это возможно, чтобы обеспечить плавное фрезерование и меньшую силу фрезерования.
внутривенно Главный угол отклонения
Правильное уменьшение угла первичного отклонения может улучшить условия отвода тепла и снизить среднюю температуру в зоне обработки.
3. Методы зажима заготовок должны быть улучшены
В некоторых тонкостенных алюминиевых компонентах с низкой жесткостью для уменьшения деформации можно использовать описанные ниже методы зажима:
Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон
- Если для зажима тонкостенных деталей втулок с ЧПУ в радиальном направлении используется трехкулачковый самоцентрирующийся или пружинный патрон, заготовка, несомненно, деформируется, как только ее отпустят после обработки.
Следует принять метод прессования осевого торца с хорошей жесткостью. Изготавливается резьбовая оправка для нахождения внутреннего отверстия детали на основе положения внутреннего отверстия детали. Она должна быть вставлена во внутреннее отверстие детали. Торец сжимается накладкой, а гайка затягивается назад, при этом деформация разжима может быть предотвращена при обработке внешнего круга, и может быть достигнута точность обработки.
- За исключением случаев обработки тонкостенных пластинчатых деталей, рекомендуется использовать вакуумные присоски для достижения более равномерного распределения силы зажима, а затем обрабатывать с меньшим количеством резания, чтобы избежать деформации детали.
Альтернативно могут быть использованы процедуры наполнения. Чтобы повысить технологическую жесткость тонкостенных заготовок, в заготовку можно ввести среду, чтобы уменьшить ее деформацию во время зажима и резки. Например, в заготовку можно залить расплав карбамида, содержащий от 3 до 6% нитрата калия. После обработки погрузите заготовку в воду или спирт, затем растворите и слейте наполнитель.
4. Улучшите конструкцию режущих инструментов
Режущие инструменты
- Уменьшите количество зубьев фрезы, одновременно увеличив пространство для удержания стружки.
Большая площадь стружки необходима из-за высокой пластичности алюминиевого материала и высокой деформации резания при обработке.
Таким образом, радиус дна стружечного желоба должен быть больше, а количество зубьев фрезы должно быть меньше. Радиус дна резервуара должен быть увеличен, а количество зубьев фрезы уменьшено. Для минимизации деформации тонкостенных деталей из алюминиевого сплава из-за застревания стружки во фрезе размером 20 мм и менее используются два режущих зуба, а во фрезе размером от 30 до 60 мм — три режущих зуба.
- Тонко заточите зубья.
Режущая кромка имеет шероховатость Ra=0.4 мкм или менее. Прежде чем использовать новый режущий инструмент, следует слегка потереть мелкозернистым асфальтом переднюю и заднюю часть зубьев фрезы, чтобы удалить любые заусенцы или небольшие зазубрины, которые могли остаться после шлифовки зубьев инструмента. Благодаря этому методу снижается теплота резки, а искажения при резке сводятся к минимуму.
- Максимально строго контролируйте степень износа инструмента.
Шероховатость поверхности заготовки увеличивается по мере износа инструмента, а также температуры резания и деформации заготовки. В результате, в дополнение к выбору материалов инструмента с высокой износостойкостью, стандарт износа инструмента не должен превышать 0.2 мм, в противном случае легко образуются кромки стружки. Чтобы избежать деформации, температура обрабатываемой заготовки не должна превышать 100°C при резке с использованием фрезерования с ЧПУ или токарной обработки с ЧПУ.
5. Организуйте производственный процесс правильно
Вибрация часто возникает во время фрезерования при высокоскоростном резании из-за большого припуска на обработку и прерывистого режима резания. Это влияет на точность обработки и шероховатость поверхности. В результате процесс высокоскоростной резки с ЧПУ в общих чертах классифицируется следующим образом: черновая обработка-получистовая обработка-очистка углов-чистовая обработка. Для изделий, требующих высокого уровня точности, может оказаться необходимым выполнить второй этап получистовой обработки перед окончательной обработкой. После черновой обработки деталям дают остыть естественным путем, чтобы уменьшить внутреннее напряжение и деформацию.
После черновой обработки остаточный припуск должен быть больше искажения, обычно 1-2 мм. Поверхность детали должна быть однородной на протяжении всей обработки.
В целом, сохранение устойчивости инструмента во время чистовой обработки с толщиной 0.2–0.5 мм — лучший способ уменьшить деформацию резания, добиться высокого качества обработки поверхности и сохранить правильность изделия.
Помимо причин, указанных выше, техника эксплуатации также имеет решающее значение в реальной эксплуатации, и правильный метод эксплуатации может значительно минимизировать изгиб компонентов из алюминиевых сплавов.
6. Симметричная обработка
Чтобы улучшить рассеивание тепла и предотвратить тепловую деформацию при обработке алюминия на станках с ЧПУ с высокими припусками на обработку, необходимо избегать чрезмерной концентрации тепла. Для этого можно использовать симметричную обработку.
Рассмотрим случай металлической пластины толщиной 90 мм, которую необходимо уменьшить до толщины 60 мм. Даже если каждая поверхность обработана до конечного размера, а припуск на непрерывную обработку значителен, если сторона фрезерования мгновенно переносится на другую сторону, концентрация тепла станет проблемой, а плоскостность пластины из сплава составит всего 5 мм.
Однако при симметричной технологии обработки с обеих сторон каждую поверхность можно обрабатывать не менее двух раз до достижения конечного размера, благоприятного для отвода тепла, а плоскостность можно регулировать на уровне 0.3 мм.
7. Выберите подходящие параметры резки
Силу резания и возникающее при резке тепло можно уменьшить, используя правильные параметры резания. Когда параметры резания больше обычных в процессе механической обработки, это приведет к чрезмерной силе резания. Чрезмерная сила резания может легко вызвать деформацию компонентов, а также повлиять на жесткость шпинделя и долговечность инструмента.
Величина глубины резания сзади оказывает наибольшее влияние на силу резания из всех параметров резания. Уменьшение количества режущих инструментов необходимо для обеспечения того, чтобы детали не деформировались. Однако это приводит к снижению эффективности обработки. Эту проблему можно решить с помощью высокоскоростного фрезерования с числовым программным управлением.
Механическая обработка может снизить силу резания и обеспечить эффективность обработки за счет уменьшения глубины обратного резания, увеличения подачи и увеличения скорости станка.
8. Обратите внимание на последовательность перемещения режущего инструмента.
Последовательность резания при черновой и чистовой обработке должна быть различна.
При черновой обработке приоритет отдается эффективности обработки и скорости съема за единицу времени. В большинстве случаев можно использовать обратное фрезерование. (Реверсивный стан — это разновидность прокатного стана, в котором заготовка перемещается между парой валков как вперед, так и назад. Реверсивный стан получил свое название из-за того, что сталь перемещается вперед и назад между валками, постепенно уменьшая толщину с каждым проходом)
То есть излишки материала на поверхности заготовки удаляются максимально быстро и эффективно, и по сути формируется необходимый для чистовой обработки геометрический контур.
Когда дело доходит до чистовой обработки, упор следует делать на точность и качество, следует использовать попутное фрезерование. Толщина резания зубьев фрезы при попутном фрезеровании постепенно падает от максимальной до нуля, поэтому степень наклепа значительно снижается, как и степень деформации детали.
9. Двукратное сжатие тонкостенных деталей
Сила зажима вызывает деформацию при обработке деталей из алюминия с ЧПУ. Прежде чем будет достигнут окончательный размер, прессованную деталь следует освободить и уменьшить давление, чтобы вернуть ей первоначальную форму. Затем следует приложить второе давление, чтобы уменьшить деформацию заготовки, возникающую при зажиме.
Опорная поверхность является оптимальным местом для второй точки прижима, а усилие зажима должно быть приложено в направлении максимальной жесткости.
Сила сжатия должна быть достаточной, чтобы заготовка не расшаталась, если все в порядке.
Эта процедура требует использования квалифицированных операторов, но она может гарантировать, что обрабатываемые детали из алюминия с ЧПУ будут деформированы как можно меньше.
10. Сверление и фрезерование
Обработка полостей в компонентах обработки алюминия с ЧПУ имеет свой собственный набор проблем. Всякий раз, когда фреза используется непосредственно на компоненте, стружка резки не будет гладкой из-за отсутствия у фрезы пространства для фрагментации. Это приводит к накоплению огромного количества тепла резки, которое расширяет и деформирует детали обработки алюминия с ЧПУ, а также вызывает повреждение компонента или инструмента.
Лучше всего сначала сверлить, а затем фрезеровать.
Это влечет за собой сверление отверстия инструментом размером не меньше фрезы, прежде чем вставить фрезу в отверстие, чтобы начать фрезерование.
11. Используйте специальное смазочно-охлаждающее масло из алюминиевого сплава.
Специальное смазочно-охлаждающее масло — это тип жидкости, которую необходимо использовать на протяжении всего процесса резки с ЧПУ для смазки, охлаждения и очистки.
При обработке алюминия можно использовать несколько типов охлаждающих жидкостей.
Водорастворимые смеси можно успешно использовать для рассеивания тепла во время черновой обработки, когда удаления припуска достаточно для создания тепла.
Прямое минеральное тюленевое масло, смесь 50–50 минерального тюленьего масла и керосина, смесь 10% сала и 90% керосина, а также 100-секундное минеральное масло, разбавленное минеральным тюленевым маслом или керосином, — вот некоторые другие масла, которые могут быть посоветованы.
В качестве основных компонентов новых смазочно-охлаждающих жидкостей обычно используются сульфированные противоизносные присадки для работы при сверхвысоком давлении. Это связано с постоянным совершенствованием высокоскоростных режущих инструментов, оборудования и процессов. Это помогает защитить инструменты в процессе сверхскоростной резки, повысить точность процесса и эффективность резки.
