Varje CNC-maskinist har mött samma frustration. En stor aluminiumplatta är fyrkantig, belagd och förpackad med noggrann precision. Delen mäter perfekt på maskinen. Sedan släpps klämmorna. Delen snedvrids, vrids eller bägare med flera tusendelar av en tum. Grundorsaken är nästan alltid kvarvarande stress. Att förstå var denna stress kommer ifrån och hur man kontrollerar den skiljer butiker som skrotar dyra aluminiumdelar från de som skickar platta, stabila komponenter vid första försöket.
Restspänningar i aluminium härrör från två primära källor. Den första är den ursprungliga materialproduktionen. Aluminiumplåt och extruderad stång valsas eller sträcks efter gjutning. Denna mekaniska bearbetning låser in inre spänningar i materialet. Ytskikten kan vara i kompression medan kärnan är i spänning. Så länge materialet förblir intakt balanserar dessa spänningar varandra. Den andra källan bearbetar sig själv. Skärning värmer arbetsstyckets yta. Ojämn termisk expansion och plastisk deformation från skäreggen introducerar nya spänningar. När materialet tas bort ändras balansen mellan inre krafter och delen får en ny form.
De mest dramatiska deformationerna kommer från bearbetning av förspänt råmaterial. En typisk 6061 aluminiumplåt från en leverantör har restspänningar som varierar över dess tjocklek. Att ta bort ena sidan av plattan frigör dessa påfrestningar asymmetriskt. Det återstående materialet böjs för att uppnå jämvikt. Detta förklarar varför ett enkelt snitt kan förvandla en platt tallrik till ett potatischips. Nyckeln till att kontrollera deformation är inte att helt eliminera kvarvarande spänning, vilket är nästan omöjligt, utan att hantera hur det släpper under bearbetning.
En beprövad teknik är grovbearbetning följt av stressavlastning. Ett grovbearbetningspass tar bort det mesta av materialet, vilket lämnar en liten mängd på 0,030 till 0,060 tum på alla ytor. Delen tas sedan bort från maskinen och värmebehandlas för att lindra kvarvarande spänningar. För aluminiumlegeringar som 7075 eller 2024 kan en termisk spänningsavlastningscykel vid 350 grader Fahrenheit i två till tre timmar följt av långsam kylning minska inre spänningar avsevärt. Efter spänningsavlastning återförs delen till maskinen för efterbehandling av snitt. Efterbehandlingspasset tar bara bort det återstående skinnet, vilket innehåller minimalt med låst stress. Resultatet är en stabil del.
För butiker utan värmebehandlingskapacitet kan kryogen eller vibrationsavlastning hjälpa, men mindre allmänt. En enklare metod är sekventiell grovbearbetning. Istället för att plocka fram en djup ficka i en operation, förskjuter programmeraren grovbearbetningen över olika delar av delen. Genom att ta bort material symmetriskt släpper den inre spänningen jämnare. Till exempel, när du bearbetar en stor ficka i en plåt, grov ena sidan, vänd sedan delen och grov den motsatta sidan innan du avslutar endera sidan. Denna balanserade borttagning förhindrar delen från att skeva tidigt i processen.
En annan kraftfull teknik är höghastighetsbearbetning med låga skärkrafter. Traditionell grovbearbetning med stort skärdjup och låg matning pressar materialet och genererar värme och plastisk deformation. Höghastighetsbearbetning med lätt radiell ingrepp och hög matning per tand minskar skärkrafterna dramatiskt. Mindre kraft betyder mindre inducerad restspänning. Många butiker upptäcker att ett 0,040 tum radiellt skärdjup vid 15 000 rpm och 300 tum per minut matning tar bort material snabbare än ett kraftigt snitt vid 8 000 rpm, samtidigt som det lämnar delen mycket stabilare. Flisen för bort värme istället för att pumpa in den i arbetsstycket.
Fixturdesign spelar också en avgörande roll. Spännande delar i ett förvrängt tillstånd garanterar att de fjädrar tillbaka efter att de lossats. Mjuka käftar bearbetade för att matcha delarnas fria form eller nollpunktsklämsystem som applicerar konsekvent, låg klämkrafthjälp. Vakuumchuckar är idealiska för tunna aluminiumplåtar eftersom de fördelar kraften jämnt utan att böja materialet. För delar som är utsatta för kupning, förhindrar dubbelsidig tejp eller självhäftande film mellan delen och fixturen rörelse utan att inducera stress.
Förböjning eller försträckning är en specialiserad teknik för långa aluminiumprofiler. Om råmaterialet har en känd båge kan fixturen något överklämma delen i motsatt riktning före bearbetning. Efter att ha kapat och släppt klämmorna, fjädrar delen tillbaka till platt. Detta kräver noggranna experimenterande men lönar sig för repetitiva jobb.
Ett praktiskt arbetsflöde för kritiska aluminiumdelar börjar med materialval. Precisionsslipplåt kostar mer men har mycket lägre restspänning än standardvalsad plåt. Om applikationen tillåter, innehåller verktygsplattan i gjuten aluminium som Mic 6 nästan ingen inre spänning eftersom den är gjuten till nästan nettoform och inte mekaniskt bearbetad. Gjutplåt bearbetar vackert och förblir platt efter materialborttagning. För konstruktionsdelar gjorda av valsad plåt, att specificera sträckutjämnade eller spänningsavlastade material från leverantören ökar kostnaden men minskar skrot.
Slutligen måste inspektionsmetoderna respektera kvarvarande spänningar. Att mäta en del medan den fortfarande är fastspänd ger falskt förtroende. Mät alltid efter att delen är helt fri och har vilat i flera timmar för att tillåta eventuell elastisk återhämtning. Butiker som behärskar restspänningskontroll håller rutinmässigt planhet inom 0,001 tum per fot på bearbetade aluminiumdelar. Deras konkurrenter jagar fortfarande skeva delar över verkstadsgolvet, övertygade om att aluminium är en instabil metall. Det är inte metallen som är instabil. Det är okontrollerad stress.
