Effektive Methoden zur Verhinderung der Verformung dünnwandiger Rohrkomponenten in der Fertigung

 

In der tatsächlichen Produktion kommt es häufig vor, dass dünnwandige Rohrverbindungsstücke unterschiedlicher Form und Größe verarbeitet werden, die während der Verarbeitung zu Verformungen neigen. Es ist von entscheidender Bedeutung, Methoden zur Verhinderung von Verformungen zu erforschen und sicherzustellen, dass die Teile die Maß- und Stabilitätsanforderungen erfüllen. Dünnwandige Bauteile stellen bei Dreh- und Fräsprozessen vor allem aufgrund ihrer geringen Steifigkeit und Festigkeit eine Herausforderung dar. Während der Verarbeitung sind sie sehr anfällig für Verformungen, was zu Form- und Maßfehlern führt und es schwierig macht, eine gleichbleibende Teilequalität sicherzustellen.

 

 

I Hauptfaktoren, die die Präzision dünnwandiger Rohrwerkstücke beeinflussen

 

1. Anfälligkeit für Verformung durch Krafteinwirkung

Dünnwandige Werkstücke neigen unter Einwirkung von Spannkräften stark zu Verformungen, was sich sowohl auf die Maß- als auch auf die Formgenauigkeit auswirkt. Wenn zum Beispiel ein Dreibackenfutter zum Spannen des Außendurchmessers verwendet wird, während gleichzeitig der Innendurchmesser bearbeitet wird, kann sich der Außendurchmesser aufgrund der Spannkraft leicht in eine Dreiecksform verformen. Obwohl ein zylindrisches Loch erzeugt wird, nimmt der Außendurchmesser beim Lösen des Spannfutters wieder seine zylindrische Form an, während das Innenloch bogenförmig oder dreieckig wird.

 

2. Wärmeinduzierte Verformung

Die Schneidhitze kann zu einer thermischen Verformung des Werkstücks führen, wodurch es schwierig wird, seine Abmessungen zu kontrollieren. Dünnwandige Metallbauteile, insbesondere solche mit hohen Längenausdehnungskoeffizienten, sind besonders anfällig für thermische Verformungen durch die Schneidhitze, die ihre Maßhaltigkeit erheblich beeinträchtigen.

 

3. Vibrationsinduzierte Verformung

Unter Schnittkräften können radiale Komponenten dazu führen, dass sich das Werkstück verbiegt. Wenn die Außenfläche des Werkstücks Merkmale wie Rillen oder Kerben aufweist, kann das Schneidwerkzeug ungleichmäßigen Kräften ausgesetzt sein, die zu Vibrationen führen. Diese Vibration kann sich negativ auf die Maß-, Form- und Positionsgenauigkeit des Werkstücks sowie auf seine Oberflächenrauheit auswirken.

 

 

II Methoden zur Reduzierung und Verhinderung der Verformung dünnwandiger Teile

 

1. Verwendung von Axialspannvorrichtungen

Beim Drehen und Fräsen dünnwandiger Werkstücke empfiehlt sich die axiale Spannung statt der radialen Spannung. Durch die axiale Spannmethode mit einer axialen Spannhülse (Gewindehülse) wird eine Verteilung der Spannkräfte entlang der Achse des Werkstücks gewährleistet. Da die axiale Steifigkeit des Werkstücks höher ist, verringert sich bei dieser Methode die Gefahr einer Verformung.

 

2. Vergrößerung der Klemmkontaktfläche

Durch die Verwendung von geschlitzten Hülsen oder speziell entwickelten weichen Backen wird die Kontaktfläche vergrößert, wodurch die Spannkraft gleichmäßiger auf das Werkstück verteilt wird. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer lokalen Verformung beim Spannen.

 

3. Optimierung der Schneidwerkzeuggeometrie und der Schneidparameter

Um Schnittkräfte und Wärme zu minimieren, ist es wichtig, die Geometrie der Schneidwerkzeuge und Schnittparameter sorgfältig auszuwählen. Geringere Schnittkräfte und Wärme verringern die Wahrscheinlichkeit einer Verformung.

 

4. Angemessene Anwendung von Schneidflüssigkeiten

Beim Schneiden entsteht Wärme, die hauptsächlich in den Spänen und dem Schneidwerkzeug konzentriert ist. Schneidflüssigkeiten spielen eine entscheidende Rolle beim Kühlen, Schmieren, Entfernen von Spänen und Rostschutz. Durch die richtige Anwendung von Schneidflüssigkeiten kann die Schneidtemperatur gesenkt und so eine thermische Verformung des Werkstücks verhindert werden.

 

5. Prozessrippen hinzufügen

Einige dünnwandige Werkstücke verfügen an den Spannstellen über speziell gestaltete Prozessrippen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Die Klemmkraft wird auf diese Rippen ausgeübt, wodurch die Verformung verringert wird. Nach der Bearbeitung können die Prozessrippen entfernt werden.

 

 

III Fallstudie: Axialkraftanwendung beim Drehen und Fräsen dünnwandiger Werkstücke

 

1. Analyse der Schwierigkeit dünnwandiger Werkstücke

Als Material kommt Hartaluminium 2A12T4 zum Einsatz, es kommt ein hohlzylindrisches Rohmaterial zum Einsatz. Der innere Hohlraum muss an vier Seiten gefräst werden, und die Außenwand weist vier große Löcher (Φ26 mm) sowie einige montagebedingte Schraubenlöcher und Gewindelöcher auf. Der maximale Außendurchmesser beträgt 180mm ±0,05 mm und die minimale Wandstärke beträgt 3 mm. Die Verformung der Rundheit darf 0,15 mm nicht überschreiten. Zusätzlich zu den inhärenten Verformungsherausforderungen dünnwandiger Teile erfordert dieses Werkstück auch die Bearbeitung von vier Innenseiten und Löchern am Außendurchmesser, was zu ungleichmäßigen und asymmetrischen Wandstärken führt, die die Verformung erhöhen. Um die Präzision der inneren und äußeren Merkmale sicherzustellen, ist eine genaue Positionierung erforderlich.

 

▲ dünnwandig Teile

 

2. Prozessroute vor der Verbesserung

1). Drehen Sie den Innendurchmesser, drehen Sie den Außendurchmesser mit einem Dreibackenfutter vor und lassen Sie auf beiden Seiten 1 mm Spielraum für Innen- und Außendurchmesser.

2). Verwenden Sie ein Bearbeitungszentrum, um den inneren Hohlraum mit einem Aufmaß von 1 mm auf jeder Seite grob zu fräsen, und richten Sie die Innenflächen aus, um vier große Löcher mit einem Durchmesser von 26 und einem Aufmaß von 2 mm vorzufräsen.

3). Stressabbauende Behandlung.

4). Führen Sie auf der Drehmaschine ein sekundäres Schruppfräsen der inneren Stufe mit einem Aufmaß von 0,5 mm auf jeder Seite und des Außendurchmessers mit einem Aufmaß von 0,5 mm durch.

5). Verwenden Sie das Bearbeitungszentrum, um den inneren Hohlraum mit einem Aufmaß von 0,5 mm sekundär vorzufräsen.

6). Stressabbauende Behandlung.

7). Planen Sie auf der Drehmaschine die beiden Endflächen auf Maß, führen Sie eine Halbschlichtdrehung des Innendurchmessers durch und fertigen Sie die Enddrehung auf die endgültige Größe ab.

8). Verwenden Sie das Bearbeitungszentrum, um den inneren Hohlraum fertig zu fräsen.

9). Den Außendurchmesser auf der Drehmaschine fertigdrehen.

10). Fertigfräsen aller äußeren Löcher und Merkmale auf dem Bearbeitungszentrum.

 

3. Probleme im Vorfeld der Verbesserung

1). Die Vorrichtung, die zum Grob- und Fertigfräsen des inneren Hohlraums verwendet wurde, war eine Schlitzhülsenvorrichtung, die mit einem Dreibackenfutter gespannt wurde. Dieser Aufbau führt zu einer Radialkraft auf das Werkstück, die aufgrund der geringen Steifigkeit dünnwandiger Bauteile zu einer Verformung führt. Das Werkstück neigt während der Bearbeitung dazu, sich in eine dreieckige Form zu verformen. Während des Schruppfräsens wurde die Spannkraft angepasst, um Spannungen abzubauen. Dies führte jedoch dazu, dass das Werkstück instabil wurde, was zu Bewegungen oder Neigungen während der Bearbeitung führte. Der Werkzeugweg musste verlangsamt werden, was die Produktionszyklen verlängerte.

 

2). Beim Innendrehen wurden spezielle weiche Messingbacken zum Spannen des Außendurchmessers verwendet, um den Innendurchmesser zu drehen. Beim Spannen und Lösen des Werkstücks traten jedoch immer noch Verformungen auf, da das Werkstück dazu neigt, Schneidwärme aufzunehmen und innere Spannungen abzubauen. Die Innen- und Außendurchmesser würden sich verschieben, sobald das Werkstück entfernt würde, was es schwierig mache, die Verformung zu kontrollieren.

 

3). Für die Endbearbeitung der äußeren Löcher und Nuten wurde eine Zweipunktauflage verwendet, wobei die Spannkraft durch Bolzen bereitgestellt wurde. Die dünne Wand und die geringe Steifigkeit führten jedoch insbesondere beim Bohren zu Vibrationen, die die Präzision beeinträchtigten.

 

4. Analyse des Prozessablaufs nach der Verbesserung

1) Verwenden Sie ein Dreibackenfutter auf der Drehmaschine, um den Innendurchmesser umgekehrt einzuspannen, führen Sie eine Vordrehung am Außendurchmesser durch und spannen Sie dann den Außendurchmesser erneut ein, um den Innendurchmesser vorzudrehen.

2) Verwenden Sie ein Bearbeitungszentrum, um das Quadrat des inneren Hohlraums vorzufräsen und vier große Löcher mit einem Aufmaß von 1 mm auf jeder Seite vorzufräsen.

3) Führen Sie eine stresslindernde Behandlung durch.

4) Glätten Sie beide Endflächen mit der Drehmaschine, lassen Sie am Außendurchmesser eine Toleranz von 0,5 mm und fertigen Sie den Innendurchmesser vor.

5) Führen Sie eine stresslindernde Behandlung durch.

6). Mit der Drehmaschine beide Endflächen und den Innendurchmesser auf Endmaß fertigbearbeiten.

7) Verwenden Sie das Bearbeitungszentrum, um die innere Hohlraumform präzise zu fräsen.

8) Drehen Sie den Außendurchmesser auf der Drehmaschine fertig, um die Rundheits- und Maßanforderungen zu erfüllen.

9) Verwenden Sie das Bearbeitungszentrum, um alle externen Merkmale präzise zu fräsen.

 

5. Hauptverarbeitungsmethoden und erzielte Ergebnisse nach der Verbesserung

 

1) Grobfräsen des inneren Hohlraums

Der Prozess des Grobfräsens des inneren Hohlraums unterscheidet sich nicht von der Vorverbesserungsmethode. Zum Spannen des Außendurchmessers wird eine Schlitzhülsenvorrichtung verwendet, während ein Dreibackenfutter die Vorrichtung zum Fräsen der inneren quadratischen Merkmale hält. Zum Grobfräsen der Außenlöcher wird eine spezielle große weiche Backe verwendet, um das rechte Ende des Außendurchmessers des Werkstücks einzuklemmen und es an der inneren quadratischen Form auf der linken Seite auszurichten. Beim Präzisionsfräsen der inneren Kavität wird das folgende Vorrichtungsdesign (Abbildung 2 und Abbildung 3) verwendet:

 

▲ Präzisionsfräsen der Vorrichtung

 

▲ Präzisionsfräsen

 

Notiz:

1. Spiralkappe– Die Spiralkappe wird in den hellblauen Teil am oberen Ende der Vorrichtung eingeschraubt und fixiert und komprimiert den oberen Teil des Werkstücks. Der Durchgangslochdurchmesser der Spiralkappe ist 2 mm größer als der Innendurchmesser des Werkstücks, bei einer Werkstückwandstärke von 3 mm, wodurch eine 2 mm breite Kompressionskontaktfläche entsteht. Dieses Design beeinträchtigt nicht die Fähigkeit des Schneidwerkzeugs, den inneren Hohlraum des Werkstücks zu formen.

 

2. Oberer Stützring– Die äußere blaue Wand des Stützrings richtet sich nach dem oberen blauen Teil der Vorrichtung, während die innere Wand zum Außendurchmesser des Werkstücks passt. Dies verhindert eine Bewegung des oberen Endes des Werkstücks in alle Richtungen (links, rechts, vorne, hinten) und sorgt für eine präzise Positionierung, wodurch gewährleistet wird, dass das Rotationszentrum des Werkstücks bei jeder Einstellung konsistent bleibt.

 

3. Werkstück– Das zu bearbeitende Werkstück.

 

4. Vorrichtungskörper(Abbildung 3) – Das untere innere Ende des Vorrichtungskörpers verfügt über eine 15 mm tiefe, abgestufte kreisförmige Nut, die zum unteren Außendurchmesser des Werkstücks passt. Der mittlere violette Abschnitt besteht aus schwarzem Gummimaterial, das in den Spalt zwischen der Vorrichtung und der Außenwand des Teils passt, um Vibrationen und Rattern während der Bearbeitung zu verhindern.

 

5. Kleiner Stoppblock– Dieser Teil ist das Hauptmerkmal der Vorrichtung. Es greift in die äußeren Nutlöcher des Vorrichtungskörpers ein, wobei der hervorstehende Teil die Innenwand des Φ26-Kreises des Werkstücks berührt. Dadurch wird das Werkstück blockiert und seine Drehung im Uhrzeigersinn begrenzt. Auch der Anschlagblock spielt bei der Ausrichtung eine entscheidende Rolle. Da sich das Werkzeug im Uhrzeigersinn dreht, wirkt auf das Werkstück eine Kraft im Uhrzeigersinn, der der Anschlagblock entgegenwirkt. Das Schraubenloch und das Gewindeloch des Vorrichtungskörpers sichern den Anschlagblock fest und verhindern so Vibrationen oder Verschiebungen während der Bearbeitung. Die Wechselwirkung zwischen dem kleinen Anschlagblock und der Innenwand des Φ26-Kreises des Werkstücks ist in Abbildung 4 dargestellt.

 

▲ Interaktion

 

Erzielter Effekt:

 

Diese Vorrichtung erfordert nur eine minimale axiale Spannkraft von der Spiralkappe, um alle sechs Freiheitsgrade des Werkstücks vollständig einzuschränken. Dadurch wird sichergestellt, dass das Werkstück nicht durch radiale Kräfte verformt wird. Darüber hinaus hilft der kleine Anschlagblock selbst bei der Positionierung und Ausrichtung und spielt eine entscheidende Rolle dabei, das Werkstück am Drehen zu hindern. Das Werkstück wird sicher in der Vorrichtung positioniert, mit einem Stützring für Stabilität, Gummimaterial in der Mitte zur Vibrationsdämpfung und einer 15 mm tiefen, abgestuften kreisförmigen Nut an der Unterseite zur Positionierung. Die Steifigkeit des Systems wird erhöht, was deutlich höhere Schnittparameter ermöglicht und die Gesamteffizienz der Produktion verbessert. Vor der Verbesserung dauerte dieser Vorgang 30 Minuten; Nach der Verbesserung wurde die Bearbeitungszeit auf 15 Minuten verkürzt. Darüber hinaus kann diese Vorrichtung auch beim Präzisionsdrehen der inneren Kavität verwendet werden, wodurch die Gesamtproduktionskosten gesenkt werden.

 

2) Grob- und Fertigdrehen des inneren Hohlraums

Die Vorrichtung zum Grob- und Schlichtdrehen des Innenhohlraums folgt dem gleichen Prinzip wie das Präzisionsfräsen des Innenhohlraums. Der kleine Anschlagblock dient jedoch nur dazu, die Drehung des Werkstücks zu begrenzen, wie in Abbildung 5 dargestellt.

 

▲ Grob- und Fertigdrehen des inneren Hohlraums

 

Durch die Spiralkappe wird das Werkstück axial gespannt, so dass Verformungen durch Spannkräfte vermieden werden. Beim Drehen der Innenbohrung bleibt das Werkstück nahezu vollständig frei, so dass die bearbeitete Bohrung den geforderten technischen Spezifikationen entspricht. Um die radiale Spannkraft zu reduzieren und Verformungen vorzubeugen, musste vor der Verbesserung die Spannkraft minimiert werden, was auch zu einer Reduzierung der Schnittparameter führte. Nach der Verbesserung besteht kein Grund zur Sorge über Spannverformungen, was höhere Schnittparameter und eine höhere Produktionseffizienz ermöglicht. Die Prozesszeit verkürzte sich von 35 Minuten auf 25 Minuten.

 

3) Präzisionsfräsen von Außenwandlöchern

 

▲ Präzisionsfräsen

 

Die Vorrichtung zum Präzisionsfräsen der Außenwandlöcher ist in Abbildung 6 dargestellt. Das Vorrichtungsdesign konzentriert sich auf den Hauptkörper der Vorrichtung ganz rechts:

 

Vorrichtungsdesign: Der Vorrichtungskörper ist am vierachsigen Drehtisch befestigt und ausgerichtet. Vorgefertigte Grundlöcher und Eintrittsschlitze verhindern Werkzeugbeeinträchtigungen während der Bearbeitung. Der hellviolette Teil der Vorrichtung ist auf das rechte Innenloch des Werkstücks ausgerichtet, während die linke Seite auf die innere quadratische Form des Werkstücks passt, wodurch eine Ausrichtung gewährleistet und eine Drehung verhindert wird. Nach der Installation der oberen und spiralförmigen Kappen positioniert die Vorrichtung das Werkstück sicher, sodass keine Neupositionierung erforderlich ist. Die Vorrichtung ermöglicht eine Spielpassung von etwa 0,03 mm zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück, um eine leichte Verformung des Werkstücks auszugleichen und ein einfaches Entfernen zu gewährleisten.

 

Wirkung: Während der Bearbeitung bleibt das Werkstück stabil und es entstehen keine unerwünschten Vibrationen, was höhere Schnittparameter und eine verbesserte Präzision ermöglicht. Im Vergleich zur vorherigen Vorrichtung verkürzt diese Konstruktion die Rüstzeit erheblich, verbessert die Systemsteifigkeit und stellt sicher, dass das Werkstück während der Bearbeitung stabil bleibt. Dadurch konnte die Gesamtbearbeitungszeit von 55 Minuten auf 35 Minuten verkürzt werden.