Aluminium och dess legeringar har många tillämpningar inom olika sektorer, såsom transport, allmän teknik, el, konstruktion och bygg. Det är också användbart vid produktion av hushållsprodukter och för förpackningar inom kemi- och livsmedelssektorn. Aluminium har, jämfört med andra metaller, låg hårdhet och hög värmeutvidgning. Detta gör produktionen av precisionskomponenter i aluminium sårbar för produktdeformation.
En mängd olika faktorer bidrar till deformation av precisionskomponenter i aluminiumlegering. Dessa faktorer inkluderar material, tillverkningsmiljö, delform och skärvätskans prestanda. Följande är sätt att minska deformation i aluminiumkomponenter under CNC-bearbetning:
1. Minska den inre spänningen i aluminiummaterialet
Spänning definieras som ett mått på interna krafter som orsakas av att partiklar i ett material utövar tryck på varandra. Töjning är ett mått på spänning som återspeglar graden av deformation som orsakas av ett materials interna spänning. Töjning i ett material orsakas av antingen interna eller externa krafter. Externa krafter utövar spänning på materialets massa (t.ex. gravitation) eller på dess yta (t.ex. kontaktkrafter, externt tryck, friktion).
Restspänning är en vanlig form av spänning som ofta blir kvar från tillverkningsprocessen. Restspänning orsakar den högsta deformationen i tunna komponenter.
Några av de vanligaste metoderna för att lossa spänningar i aluminium är:
- Att göra en serie milda snitt när komponenten närmar sig färdig storlek. Att avlasta detaljen mellan grov- och finbearbetning kan också minska eller eliminera deformation som orsakas av bearbetningsspänningar.
- Vibrationsspänningsavlastning (VSR) är också ett annat vanligt sätt att avlasta vibrationer. VSR innebär att metallen böjs med tillräcklig amplitud för att kombinera den genererade och kvarvarande spänningen. Som ett resultat uppstår plastiskt flöde, vilket resulterar i spänningsavlastning. För att optimera mängden spänningsavlastning riktar VSR in sig på metallens resonansfrekvens. Denna icke-termiska spänningsavlastningsmetod används vid metallbearbetning för att förbättra dimensionsstabilitet och mekanisk integritet. Den används särskilt för gjuten, smidd eller svetsad aluminium. Precisionskomponenter med exceptionellt snäva dimensionella eller geometriska toleranser används ofta med VSR.
- Kryogenik är en annan metod för spänningsavlastning som minskar kvarvarande spänningar samtidigt som den förbättrar slitage- och korrosionsbeständigheten. Ett aluminiumföremål placeras i en specifik tank och utsätts för flytande kväve. Beroende på legeringstyp och tjocklek sjunker temperaturen till så lågt som -300 °C, och metallen lämnas där under en viss tid. Temperaturen ökas sedan gradvis till rumstemperatur. Den kryogena metoden är ett alternativ till mer vanliga värmebehandlingstekniker. Aluminium som behandlas på detta sätt har mindre risk för deformering och är starkare och mer hållbart. Andra fördelar inkluderar mindre spänningssprickbildning, lägre friktionskoefficient och ökad slagtålighet. Delar som hanteras på detta sätt är mer mottagliga för bearbetning och reparering, och färdiga delar har en längre livslängd.
- Värmebehandlingsmetoder för aluminium
- Glödgning. Aluminiumlegeringar deformationshärdas ofta tidigt i tillverkningscykeln. Den avsiktliga plastiska deformationen av ett arbetsstycke beskrivs ofta som deformationshärdning. Deformationshärdning modifierar den kristallina strukturen inuti metallen och återställs därefter genom glödgning. Metallen värms upp i upp till tre timmar till temperaturer från 570 °C till 770 °C. Detta minskar spänningen som orsakas av deformationshärdningsprocessen och hjälper till att lösa skevhet och andra svårigheter.
- Lösningsvärmebehandling är en annan typ av värmebehandling. Metallen doppas i en lösning vid hög temperatur (mellan 825 °C och 980 °C) och kyls sedan för att snabbt kyla ner ämnet. Detta fångar upplösta komponenter, som sedan fälls ut, vilket resulterar i en åldringshärdande effekt. Metallen är lätt att bearbeta direkt efter kylning, men den hårdnar med tiden och blir allt svårare att bearbeta.
2. Förbättra verktygets skäreffektivitet.
Det är viktigt att välja rätt skärverktyg för att minska deformation vid bearbetning av komponenter. Skärverktygets material och geometriska faktorer har betydande inverkan på skärkraft och värme.
Geometriska faktorer som påverkar verktygseffektiviteten är:
i. Främre vinkel
Frontvinkeln måste ställas in noggrant för att bevara bladets styrka; annars kan de vassa eggarna försämras. Spånvinkeln bör vara tillräckligt stor för att bevara eggens styrka. Å ena sidan kan den användas för att slipa eggar. Å andra sidan kan den också minska skärförvrängning, säkerställa jämn spånborttagning och därmed minska skärkraft och temperatur. Användning av verktyg med negativ spånvinkel rekommenderas inte.
ii. Bakre vinkel
Bakvinkeln har en betydande effekt på sidoslitage och bearbetningskvalitet. Vid bestämning av bakvinkeln är skärtjockleken en viktig faktor att beakta. Verktyget som används måste ha lämpliga värmeavledningsförhållanden, därför bör en lägre släppningsvinkel användas. Detta beror på den höga matningshastigheten, den starka skärbelastningen och den höga värmeproduktionen vid grovfräsning. Skarpa eggar är nödvändiga vid finfräsning för att minska friktionen mellan sidan och den bearbetade ytan samt elastisk deformation. Följaktligen bör en bredare släppningsvinkel väljas.
iii. Helix Angle
Spiralvinkeln måste vara så stor som lämpligt för att ge jämn fräsning och lägre fräskraft.
iv. Huvudavvikelsevinkel
En korrekt sänkning av den primära avvikelsesvinkeln kan förbättra värmeavledningsförhållandena och sänka bearbetningsområdets medeltemperatur.
3. Teknikerna för fastspänning av arbetsstycket bör förbättras
I vissa tunnväggiga aluminiumkomponenter med låg styvhet kan de klämmetoder som beskrivs nedan användas för att minska deformation:
Trebackig självcentrerande chuck
- Om en självcentrerande chuck med tre käftar eller fjäderchuck används för att spänna fast tunnväggiga CNC-bearbetningsbussningskomponenter från radiell riktning, kommer arbetsstycket utan tvekan att deformeras när det släpps efter bearbetningen.
En metod för att pressa den axiella ändytan med god styvhet bör användas. En gängad dorn tillverkas för att hitta delens innerhål baserat på positionen för delens innerhål. Den ska föras in i delens innerhål. Ändytan komprimeras med täckplattan och muttern dras åt bakåt, varigenom lossningsdeformation kan förhindras vid bearbetning av den yttre cirkeln, och bearbetningsprecision kan uppnås.
- Om man inte bearbetar tunnväggiga plåtkomponenter är det lämpligt att använda vakuumsugkoppar för att uppnå en mer jämnt fördelad klämkraft, och sedan bearbeta med en mindre skärmängd för att undvika deformation av delen.
Alternativt kan fyllnadsprocedurer användas. För att öka processstyvheten hos tunnväggiga arbetsstycken kan media införas i arbetsstycket för att minska arbetsstyckets deformation under fastspänning och skärning. Till exempel kan man hälla en ureasmälta innehållande 3 % till 6 % kaliumnitrat i arbetsstycket. Efter bearbetning, doppa arbetsstycket i vatten eller alkohol, lös sedan upp och töm ut fyllmedlet.
4. Förbättra designen av skärverktyg
Skärverktyg
- Minska antalet fräständer samtidigt som du ökar spånhållningsutrymmet.
En större spånarea är nödvändig på grund av aluminiummaterialets höga plasticitet och den höga skärdeformationen under bearbetningen.
Således bör radien på botten av spånrännan vara större, men antalet fräständer bör vara mindre. Radien på tankens botten bör ökas, medan antalet fräständer minskas. För att minimera deformation av tunnväggiga komponenter i aluminiumlegering på grund av spånblockering används två skärtänder i en fräs på 20 mm eller mindre, och tre skärtänder används i en fräs på 30 till 60 mm.
- Slipa tänderna fint.
Skäreggen har en ojämnhet på Ra=0.4µm eller mindre. Innan ett nytt skärverktyg används bör man göra några försiktiga gnuggningar med fin asfalt på fram- och baksidan av skärtänderna för att ta bort eventuella grader eller mindre tandade markeringar som kan ha kvarstått efter slipning av verktygständerna. Skärvärmen minskas och skärförvrängningen minimeras tack vare denna metod.
- Kontrollera verktygets slitagestandard så strikt som möjligt.
Arbetsstyckets ytjämnhet ökar i takt med att verktyget slits, tillsammans med arbetsstyckets skärtemperatur och deformation. Utöver att välja verktygsmaterial med stark slitstyrka bör verktygets slitstyrka inte vara större än 0.2 mm, annars uppstår spånkanter lätt. För att undvika deformation bör temperaturen på det behandlade arbetsstycket inte överstiga 100 °C vid skärning med CNC-fräsning eller CNC-svarvning.
5. Organisera produktionsprocessen på lämpligt sätt
Vibrationer uppstår ofta under fräsning vid höghastighetsbearbetning på grund av den stora bearbetningstillägget och intermittent bearbetning. Detta påverkar bearbetningsnoggrannheten och ytjämnheten. Som ett resultat klassificeras CNC-höghastighetsbearbetningsprocessen i stort sett enligt följande: grovbearbetning - halvfinbearbetning - bearbetning av klara hörn - finbearbetning. Det kan vara nödvändigt att genomföra ett andra halvfinbearbetningssteg före finbearbetning för föremål som kräver hög precision. Delarna får svalna naturligt efter grovbearbetningen för att minska inre spänningar och deformation.
Efter grovbearbetning bör den kvarvarande marginalen vara större än deformationen, vanligtvis 1–2 mm. Delens yta bör vara homogen genom hela finbearbetningen.
Generellt sett är det den bästa tekniken för att minska skärdeformation, uppnå hög ytbearbetningskvalitet och bibehålla produktkorrektheten att hålla verktyget stadigt under finbearbetningsprocessen med 0.2–0.5 mm.
Bortsett från de skäl som anges ovan är även drifttekniken avgörande vid verklig drift, och rätt driftsmetod kan avsevärt minimera böjningen av aluminiumlegeringskomponenter.
6. Symmetrisk bearbetning
För att förbättra värmeavledningen och förhindra termisk deformation i CNC-bearbetade aluminiumkomponenter med höga bearbetningstoleranser måste extrem värmekoncentration undvikas. Symmetrisk bearbetning är en teknik som kan användas för att göra detta.
Tänk dig en 90 mm tjock metallplåt som behöver reduceras till 60 mm tjocklek. Även om varje yta behandlas till slutlig storlek och den kontinuerliga bearbetningstillägget är betydande, kommer värmekoncentrationen att vara ett problem om frässidan omedelbart överförs till den andra sidan, och legeringsplåtens planhet kommer bara att vara 5 mm.
Om den symmetriska bearbetningstekniken utförs på båda sidor kan emellertid varje yta behandlas minst två gånger tills den slutliga storleken uppnås, vilket är gynnsamt för värmeavledning och planheten kan regleras till 0.3 mm.
7. Välj lämpliga skärparametrar
Skärkraften och den resulterande skärvärmen kan minskas genom att använda rätt skärparametrar. När skärparametrarna är större än vanligt i den mekaniska bearbetningsprocessen kommer det att resultera i för hög skärkraft. För hög skärkraft kan lätt orsaka deformation av komponenterna, samt påverka spindelns styvhet och verktygets livslängd.
Mängden bakåtskärningsdjup har störst inverkan på skärkraften av alla skärparametrar. Att minska antalet skärverktyg är avgörande för att säkerställa att detaljerna inte deformeras. Detta orsakar dock minskad bearbetningseffektivitet. Denna utmaning kan lösas med höghastighetsfräsning vid numerisk styrd bearbetning.
Bearbetning kan minska skärkraften och säkerställa bearbetningseffektiviteten genom att minska bakskärningsdjupet, öka matningen och höja maskinhastigheten.
8. Notera skärverktygets gångbanasekvens
Skärsekvenser för grovbearbetning och finbearbetning bör vara tydliga.
Grovbearbetning prioriterar bearbetningseffektivitet och målet med avverkningshastighet per tidsenhet. I de flesta fall kan omvänd fräsning användas. (Ett omvänd valsverk är en typ av valsverk där arbetsstycket körs mellan ett par valsar både framåt och bakåt. Det omvända valsverket har fått sitt namn från det faktum att stålet går fram och tillbaka mellan valsarna, vilket gradvis minskar tjockleken med varje passering.)
Det vill säga att överskottsmaterialet på ämnets yta avlägsnas så snabbt och effektivt som möjligt, och den geometriska kontur som krävs för efterbehandling genereras i huvudsak.
När det gäller finbearbetning bör betoningen ligga på precision och kvalitet, och medfräsning bör användas. Skärtjockleken på fräständerna sjunker stadigt från maximum till noll under medfräsning, vilket minskar graden av deformation avsevärt, liksom graden av komponentdeformation.
9. Dubbel kompression av tunnväggiga delar
Klämkraft orsakar deformation vid bearbetning av CNC-aluminiumkomponenter. Innan den slutliga storleken uppnås bör det pressade arbetsstycket släppas och trycket minskas för att återställa det till sin ursprungliga form. Sedan bör ett andra tryck appliceras för att minska deformationen av arbetsstycket som orsakas av klämningen.
Stödytan är den optimala platsen för den andra presspunkten, och klämkraften bör appliceras i riktning mot maximal styvhet.
Kompressionskraften bör vara tillräcklig för att förhindra att arbetsstycket lossnar om allt är i ordning.
Denna procedur kräver användning av skickliga operatörer, men den kan säkerställa att de bearbetade CNC-aluminiumbearbetningskomponenterna deformeras så lite som möjligt.
10. Borrning och fräsning
Bearbetning av kaviteter i CNC-bearbetade aluminiumkomponenter har sina egna utmaningar. När fräsen används direkt på komponenten blir skärspånorna inte släta på grund av fräsens brist på fragmenteringsutrymme. Detta orsakar att en enorm mängd skärvärme byggs upp, vilket expanderar och deformerar CNC-bearbetade aluminiumdetaljer, samt orsakar skador på komponenten eller verktyget.
Att först borra och sedan fräsa är den bästa tekniken för att hantera detta problem.
Detta innebär att man borrar ett hål med ett verktyg som inte är mindre än fräsen innan man placerar fräsen i hålet för att börja fräsa.
11. Använd speciell skärolja av aluminiumlegering
Specialskärolja är en typ av vätska som måste användas under hela CNC-skärprocessen för smörjning, kylning och rengöring.
Flera typer av kylvätskor kan användas vid bearbetning av aluminium.
Vattenlösliga blandningar kan framgångsrikt användas för att sprida värme under grovbearbetning där avverkning är tillräcklig för att skapa värme.
Ren mineraltätningsolja, en 50–50 blandning av mineraltätningsolja och fotogen, en blandning av 10 % isterolja och 90 % fotogen, och en 100-sekunders mineralolja som blandas med mineraltätningsolja eller fotogen är några andra oljor som kan rekommenderas.
Nya skäroljor använder vanligtvis sulfuriserade slitageskyddande tillsatser för extremt tryck som sina kärnkomponenter. Detta beror på den kontinuerliga förbättringen av höghastighetsskärverktyg, utrustning och processer. Detta bidrar till att skydda verktyg i ultrasnabba skärprocesser, förbättra processnoggrannheten och skäreffektiviteten.
