Алюміній та його сплави знаходять широке застосування в різних галузях, таких як транспорт, загальне машинобудування, електрика, конструкції та будівництво. Він також корисний у виробництві побутової продукції, а також для упаковки в хімічному та харчовому секторах. Алюміній, порівняно з іншими металами, має низьку твердість і високий коефіцієнт теплового розширення. Це робить виробництво точних алюмінієвих компонентів вразливим до деформації продукту.
Різноманітні фактори сприяють деформації прецизійних компонентів з алюмінієвого сплаву. Ці фактори включають матеріал, виробниче середовище, форму деталі та продуктивність ріжучої рідини. Нижче наведено способи зменшення викривлення деталей з алюмінієвого сплаву під час обробки з ЧПУ:
1. Зменшити внутрішню напругу алюмінієвого матеріалу
Напруга визначається як вимірювання внутрішніх сил, спричинених частинками всередині матеріалу, які чинять тиск одна на одну. Деформація — це міра напруги, яка відображає ступінь деформації, спричиненої внутрішнім натягом матеріалу. Деформація в матеріалі викликається внутрішніми або зовнішніми силами. Зовнішні сили діють на масу матеріалу (наприклад, сила тяжіння) або на його поверхню (наприклад, контактні сили, зовнішній тиск, тертя).
Залишкова напруга є поширеною формою напруги, яка зазвичай залишається після виробничого процесу. Залишкова напруга викликає найбільше спотворення в тонких компонентах.
Деякі з найпоширеніших методів зняття напруги в алюмінії:
- Виконання серії легких надрізів, коли компонент наближається до завершеного розміру. Зняття напруги в частині між чорновою та чистовою обробкою також може зменшити або усунути деформацію, спричинену напругою обробки
- Вібраційне зняття стресу (VSR) також є ще одним поширеним способом зняття стресу. VSR передбачає згинання металу з достатньою амплітудою, щоб поєднати генеровану та залишкову напругу. У результаті виникає пластична текучість, що призводить до зменшення напруги. Щоб оптимізувати ступінь зменшення напруги, VSR орієнтується на резонансну частоту металу. Цей нетепловий метод зняття напруги використовується в металообробці для покращення стабільності розмірів і механічної цілісності. Використовується, зокрема, для литого, кованого або зварного алюмінію. У VSR часто використовуються прецизійні компоненти з винятково жорсткими розмірними або геометричними допусками.
- Кріогеніка — ще один метод зняття напруги, який зменшує залишкову напругу разом із покращенням стійкості до зносу та корозії. Алюмінієвий предмет поміщають у спеціальний резервуар і піддають дії рідкого азоту. Залежно від виду та товщини сплаву температура опускається до -300°F, і метал залишається там на певний проміжок часу. Потім температуру поступово підвищують до кімнатної. Кріогенний метод є варіантом більш поширених методів термічної обробки. Алюміній, оброблений таким чином, має менше шансів деформуватися, міцніший і довговічніший. Інші переваги включають менше розтріскування під напругою, нижчий коефіцієнт тертя та підвищену ударостійкість. Деталі, які обробляються таким чином, легше піддаються механічній обробці та ремонту, а готові деталі мають довший термін служби.
- Методи термічної обробки алюмінію
- Відпал. Алюмінієві сплави часто зміцнюють на початку виробничого циклу. Навмисна пластична деформація заготовки часто описується як деформаційне зміцнення. Деформаційне зміцнення змінює кристалічну структуру всередині металу та згодом скидається шляхом відпалу. Метал нагрівається до трьох годин до температур від 570°F до 770°F. Це зменшує напругу, спричинену процесом загартування, і допомагає у вирішенні деформацій та інших труднощів.
- Термічна обробка розчином є іншим видом термічної обробки. Метал занурюють у розчин при високій температурі (від 825°F до 980°F), а потім загартовують для швидкого охолодження речовини. Ця пастка розчиняє компоненти, які потім випадають в осад, що призводить до ефекту старіння. Метал легко обробляти відразу після загартування, але з часом він твердне, і працювати з ним стає все важче.
2. Підвищення ефективності різання інструменту.
Важливо вибрати правильний ріжучий інструмент, щоб зменшити деформацію деталей при обробці. Матеріал ріжучого інструменту та геометричні фактори мають значний вплив на силу різання та тепло.
Геометричні фактори, що впливають на ефективність інструменту:
i. Передній кут
Передній кут повинен бути ретельно встановлений, щоб зберегти міцність леза; інакше гострі краї зіпсуються. Передній кут має бути достатньо великим, щоб зберегти міцність краю. З одного боку, його можна використовувати для заточування країв. З іншого боку, це також може зменшити викривлення різання, забезпечити плавне видалення стружки, а потім зменшити силу різання та температуру. Не рекомендується використовувати інструменти з негативним переднім кутом.
II. Задній кут
Задній кут істотно впливає на бічний знос і якість обробки. При визначенні заднього кута важливим фактором, який слід враховувати, є товщина різу. Використовуваний інструмент повинен мати відповідні умови тепловіддачі, тому слід використовувати менший кут рельєфу. Це пов’язано з високою швидкістю подачі, великим навантаженням при різанні та високим виділенням тепла під час чорнового фрезерування. Гострі кромки необхідні для тонкого фрезерування, щоб зменшити тертя між стороною та обробленою поверхнею, а також пружну деформацію. Отже, слід вибирати більш широкий кут рельєфу.
III. Кут спіралі
Кут спіралі має бути настільки великим, наскільки це необхідно, щоб забезпечити плавне фрезерування та меншу силу фрезерування.
IV. Головний кут відхилення
Правильне зниження первинного кута відхилення може покращити умови розсіювання тепла та знизити середню температуру зони обробки.
3. Слід удосконалити техніку затискання заготовки
У деяких тонкостінних алюмінієвих компонентах із низькою жорсткістю описані нижче способи затискання можуть бути використані для зменшення деформації:
Трьохкулачковий самоцентруючий патрон
- Якщо трикулачковий самоцентруючий патрон або пружинний патрон використовується для затискання тонкостінних компонентів втулки для обробки з ЧПК у радіальному напрямку, заготовка, безсумнівно, деформується, коли її відпускають після обробки.
Слід застосувати метод пресування осьового торця з хорошою жорсткістю. Виготовляється оправка з різьбленням, щоб знайти внутрішній отвір деталі на основі положення внутрішнього отвору деталі. Його слід вставити у внутрішній отвір деталі. Торцева поверхня стискається кришкою, а гайка затягується назад, при цьому можна запобігти деформації розтискання під час обробки зовнішнього кола та досягти точності обробки.
- За винятком випадків обробки тонкостінних пластинчастих компонентів, доцільно використовувати вакуумні присоски для досягнення більш рівномірного розподілу затискної сили, а потім обробляти з меншою кількістю різання, щоб уникнути деформації деталей.
В якості альтернативи можна застосувати процедури заповнення. Щоб підвищити жорсткість процесу тонкостінних заготовок, у заготовку можна вводити середовище, щоб зменшити деформацію заготовки під час затискання та різання. Наприклад, можна залити в заготовку розплав сечовини, що містить від 3% до 6% нітрату калію. Після обробки занурте заготовку у воду або спирт, потім розчиніть і злийте наповнювач.
4. Удосконалити дизайн ріжучих інструментів
Інструменти для різання
- Зменшіть кількість зубів фрези, збільшуючи простір для утримання стружки.
Більша площа стружки необхідна через високу пластичність алюмінієвого матеріалу та високу деформацію різання під час обробки.
Таким чином, радіус дна канавки стружки повинен бути більшим, але кількість зубів фрези повинна бути меншою. Радіус днища ємності слід збільшити, а кількість зубів фрези зменшити. Щоб мінімізувати деформацію тонкостінних деталей з алюмінієвого сплаву внаслідок забивання стружки, у фрезі діаметром 20 мм або менше використовуються два ріжучі зуби, а у фрезі діаметром 30–60 мм використовуються три ріжучі зуби.
- Дрібно заточити зуби.
Ріжуча кромка має шорсткість Ra=0.4 мкм або менше. Перш ніж використовувати свіжий ріжучий інструмент, слід кілька обережно потерти дрібним асфальтом передню та задню частини зубів ріжучого інструмента, щоб видалити будь-які задирки або незначні зубчасті сліди, які могли залишитися після шліфування зубів інструменту. Завдяки цьому методу тепло різання знижується, а викривлення різання зведено до мінімуму.
- Якомога суворіше контролюйте стандарт зносу інструменту.
Шорсткість поверхні заготовки зростає в міру зношування інструменту разом із температурою різання та деформацією заготовки. Як наслідок, окрім вибору матеріалів інструменту з високою зносостійкістю, стандарт зносу інструменту не повинен перевищувати 0.2 мм, інакше легко утворюються краї стружки. Щоб уникнути деформації, температура обробленої заготовки не повинна перевищувати 100 °C під час різання за допомогою фрезерування з ЧПУ або токарної обробки з ЧПУ.
5. Належним чином організуйте виробничий процес
Вібрація часто виникає під час фрезерування при високошвидкісному різанні через широкий припуск на обробку та періодичне різання. Це впливає на точність обробки та шорсткість поверхні. Як наслідок, процес високошвидкісного різання з ЧПК узагальнено класифікується таким чином: груба обробка-напівчистова обробка-обробка чистих кутів-фінішна обробка. Для виробів, які вимагають високого рівня точності, може знадобитися виконати другий етап напівчистової обробки перед остаточною обробкою. Деталям дають охолонути природним шляхом після грубої механічної обробки, щоб зменшити внутрішню напругу та деформацію.
Після грубої обробки залишковий запас має бути більше, ніж викривлення, як правило, 1-2 мм. Поверхня деталі повинна бути однорідною на всьому протязі обробки.
Загалом утримання інструменту в стані під час фінішної обробки з 0.2-0.5 мм є найкращою технікою для зменшення деформації різання, досягнення високої якості обробки поверхні та підтримки правильності виробу.
Окрім причин, зазначених вище, техніка роботи також має вирішальне значення в реальній експлуатації, і правильний метод роботи може значно мінімізувати вигин компонентів з алюмінієвого сплаву.
6. Симетрична обробка
Щоб покращити розсіювання тепла та запобігти термічній деформації в алюмінієвих обробних компонентах з ЧПУ з високими припусками на обробку, слід уникати надзвичайної концентрації тепла. Для цього можна використовувати симетричну обробку.
Розглянемо випадок металевої пластини товщиною 90 мм, яку потрібно зменшити до 60 мм. Навіть незважаючи на те, що кожна поверхня обробляється до остаточного розміру, а допуск на безперервну обробку є значним, якщо сторона фрезерування миттєво переноситься на іншу сторону, концентрація тепла буде проблемою, і площинність пластини зі сплаву становитиме лише 5 мм.
Однак, якщо симетрична техніка обробки виконується з обох сторін, кожну поверхню можна обробити принаймні ще двічі, доки не буде досягнуто кінцевого розміру, який сприятливий для розсіювання тепла, і площинність можна регулювати на 0.3 мм.
7. Виберіть відповідні параметри різання
Силу різання та тепло, що виникає при різанні, можна зменшити за допомогою правильних параметрів різання. Коли параметри різання більші, ніж зазвичай, у процесі механічної обробки, це призведе до надмірної сили різання. Надмірна сила різання може легко спричинити деформацію компонентів, а також вплинути на жорсткість шпинделя та довговічність інструменту.
Величина глибини різання має найбільший вплив на силу різання з усіх параметрів різання. Зменшення кількості ріжучих інструментів має важливе значення для того, щоб деталі не деформувалися. Однак це призводить до зниження ефективності обробки. Цю проблему можна вирішити за допомогою високошвидкісного фрезерування з ЧПУ.
Механічна обробка може знизити силу різання та забезпечити ефективність обробки шляхом зменшення глибини зворотного різання, збільшення подачі та збільшення швидкості машини.
8. Зверніть увагу на послідовність руху ріжучого інструменту
Послідовність різання для чорнової та чистової обробки має бути чіткою.
Чорнова обробка визначає пріоритет ефективності обробки та цільової швидкості знімання за одиницю часу. У більшості випадків можна використовувати зворотне фрезерування. (Реверсивний стан — це тип прокатного стану, у якому заготовка проходить між парою валків вперед і назад. Свою назву реверсивний стан отримав через те, що сталь рухається вперед і назад між валками, поступово зменшуючи товщину з кожним проходом)
Тобто надлишки матеріалу з поверхні заготовки видаляються максимально швидко і якісно, і по суті формується необхідний для фінішної обробки геометричний контур.
Коли справа доходить до фінішної обробки, акцент слід робити на точності та якості, а також використовувати фрезерування. Товщина різання ріжучих зубів постійно падає від максимуму до нуля під час фрезерування вниз, отже, ступінь зміцнення заготовки значно знижується, як і ступінь деформації компонентів.
9. Дворазове стиснення тонкостінних деталей
Сила затиску викликає деформацію під час обробки алюмінієвих деталей з ЧПУ. Перш ніж досягти остаточного розміру, спресований шматок слід відпустити та зменшити тиск, щоб повернути його до початкової форми. Потім необхідно застосувати другий тиск, щоб зменшити деформацію заготовки, отриману в результаті затискання.
Оптимальним місцем для другої точки притискання є опорна поверхня, при цьому зусилля притиску повинно бути прикладено в напрямку максимальної жорсткості.
Сила стиснення має бути достатньою, щоб заготовка не послабилася, якщо все в порядку.
Ця процедура вимагає залучення кваліфікованих операторів, але вона може гарантувати, що оброблені алюмінієві компоненти з ЧПУ деформуються якомога менше.
10. Свердління та фрезерування
Обробка порожнин у компонентах обробки алюмінію з ЧПУ має свій набір проблем. Щоразу, коли фреза використовується безпосередньо на компоненті, різальна стружка не буде гладкою через відсутність у фрезі місця для фрагментації. Це спричиняє накопичення величезної кількості тепла різання, яке розширює та деформує алюмінієві деталі обробки з ЧПУ, а також спричиняє пошкодження компонента чи інструменту.
Спочатку свердління, а потім фрезерування – найкращий спосіб вирішення цієї проблеми.
Це передбачає свердління отвору інструментом розміром не менше за фрезу перед тим, як помістити фрезу в отвір для початку фрезерування.
11. Використовуйте спеціальну оливу з алюмінієвого сплаву
Спеціальне ріжуче масло — це тип рідини, який необхідно використовувати протягом усього процесу різання з ЧПК для змащування, охолодження та очищення.
При обробці алюмінію можна використовувати кілька типів охолоджувачів.
Водорозчинні суміші можна успішно використовувати для розсіювання тепла під час чорної обробки, де видалення залишку достатньо для створення тепла.
Пряма мінеральна ущільнювальна олива, суміш 50–50 мінеральної ущільнювальної олії та гасу, суміш 10% свинячої олії та 90% гасу та 100-секундна мінеральна олива, зменшена мінеральною ущільнювальною оливою або гасом, є деякими іншими оливами, які можуть бути попередженим.
В якості основного компонента нових олив зазвичай використовуються протизносні присадки, що містять сірку. Це відбувається завдяки постійному вдосконаленню високошвидкісних ріжучих інструментів, обладнання та процесів. Це допомагає захистити інструменти в процесі надшвидкісного різання, підвищити точність процесу та ефективність різання.
