Ogni macchinista CNC ha dovuto affrontare la stessa frustrazione. Una grande lastra di alluminio viene squadrata, spianata e intascata con attenta precisione. La parte misura perfettamente sulla macchina. Quindi i morsetti vengono rilasciati. La parte si deforma, si attorciglia o si deforma di diversi millesimi di pollice. La causa principale è quasi sempre lo stress residuo. Capire da dove proviene questo stress e come controllarlo distingue le officine che rottamano costose parti in alluminio da quelle che spediscono componenti piatti e stabili al primo tentativo.
Lo stress residuo nell'alluminio ha origine da due fonti primarie. Il primo è la produzione materiale originale. La piastra in alluminio e la barra estrusa vengono laminate o stirate dopo la fusione. Questo funzionamento meccanico blocca le tensioni interne nel materiale. Gli strati superficiali possono essere in compressione mentre il nucleo è in tensione. Finché il materiale rimane intatto, queste sollecitazioni si bilanciano a vicenda. La seconda fonte è la lavorazione stessa. Il taglio riscalda la superficie del pezzo. L'espansione termica irregolare e la deformazione plastica del tagliente introducono nuove sollecitazioni. Quando il materiale viene rimosso, l'equilibrio delle forze interne cambia e la parte trova una nuova forma.
Le deformazioni più drammatiche derivano dalla lavorazione di materiale grezzo precompresso. Una tipica piastra di alluminio 6061 di un fornitore presenta tensioni residue che variano lungo il suo spessore. La rimozione di un lato della piastra rilascia tali sollecitazioni in modo asimmetrico. Il materiale rimanente si piega per raggiungere l'equilibrio. Questo spiega perché un semplice taglio frontale può trasformare un piatto piano in una patatina fritta. La chiave per controllare la deformazione non è eliminare completamente lo stress residuo, il che è quasi impossibile, ma gestire il modo in cui si rilascia durante la lavorazione.
Una tecnica collaudata è la lavorazione di sgrossatura seguita dalla distensione. Una passata di sgrossatura rimuove la maggior parte del materiale, lasciando un piccolo margine compreso tra 0,030 e 0,060 pollici su tutte le superfici. La parte viene quindi rimossa dalla macchina e trattata termicamente per alleviare le tensioni residue. Per le leghe di alluminio come 7075 o 2024, un ciclo di distensione termica a 350 gradi Fahrenheit per due o tre ore seguito da un raffreddamento lento può ridurre significativamente le sollecitazioni interne. Dopo la distensione, la parte viene restituita alla macchina per i tagli di finitura. Il passaggio di finitura rimuove solo la pelle rimanente, che contiene un minimo di stress bloccato. Il risultato è una parte stabile.
Per le officine che non dispongono di strutture per il trattamento termico, la riduzione dello stress criogenico o vibratorio può aiutare, anche se in modo meno universale. Un metodo più semplice è la sgrossatura sequenziale. Invece di ricavare una tasca profonda in un'unica operazione, il programmatore scagliona le passate di sgrossatura su diverse aree del pezzo. Rimuovendo il materiale in modo simmetrico, lo stress interno viene rilasciato in modo più uniforme. Ad esempio, quando si lavora una grande tasca in una piastra, sgrossare un lato, quindi capovolgere la parte e sgrossare il lato opposto prima di finire entrambi i lati. Questa rimozione equilibrata impedisce alla parte di deformarsi nelle prime fasi del processo.
Un'altra tecnica potente è la lavorazione ad alta velocità con basse forze di taglio. La sgrossatura tradizionale con ampia profondità di taglio e basso avanzamento spinge il materiale, generando calore e deformazione plastica. La lavorazione ad alta velocità utilizzando un impegno radiale leggero e un elevato avanzamento per dente riduce drasticamente le forze di taglio. Meno forza significa meno stress residuo indotto. Molte officine ritengono che una profondità di taglio radiale di 0,040 pollici a 15.000 giri/min e un avanzamento di 300 pollici al minuto rimuove il materiale più velocemente di un taglio pesante a 8.000 giri/min, lasciando la parte molto più stabile. I trucioli asportano il calore invece di pomparlo nel pezzo.
Anche la progettazione degli apparecchi gioca un ruolo fondamentale. Il bloccaggio di parti deformate garantisce che ritornino indietro dopo lo sbloccaggio. Ganasce morbide lavorate per adattarsi alla forma libera delle parti o ai sistemi di bloccaggio a punto zero che applicano una forza di bloccaggio costante e bassa. I mandrini a vuoto sono ideali per lastre di alluminio sottili perché distribuiscono la forza in modo uniforme senza piegare il materiale. Per le parti soggette a coppettazione, il nastro biadesivo o la pellicola adesiva tra la parte e l'attrezzatura impedisce il movimento senza indurre stress.
La prepiegatura o prestiro è una tecnica specializzata per estrusioni di alluminio lunghe. Se il grezzo ha una curvatura nota, l'attrezzatura può bloccare leggermente la parte nella direzione opposta prima della lavorazione. Dopo aver tagliato e rilasciato i morsetti, la parte ritorna piatta. Ciò richiede un'attenta sperimentazione ma ripaga per lavori ripetitivi.
Un flusso di lavoro pratico per le parti critiche in alluminio inizia con la selezione del materiale. La piastra rettificata di precisione costa di più ma presenta uno stress residuo molto inferiore rispetto alla piastra rullata standard. Se l'applicazione lo consente, la piastra per utensili in alluminio pressofuso come Mic 6 non presenta quasi alcuna tensione interna perché è fusa in una forma quasi netta e non lavorata meccanicamente. La lamiera fusa si lavora magnificamente e rimane piatta dopo la rimozione del materiale. Per le parti strutturali realizzate con lamiera laminata, specificare il materiale livellato o sottoposto a distensione da parte del fornitore aumenta i costi ma riduce gli scarti.
Infine, i metodi di ispezione devono rispettare le tensioni residue. Misurare una parte mentre è ancora bloccata dà falsa fiducia. Misurare sempre dopo che la parte è completamente libera e ha riposato per alcune ore per consentire l'eventuale recupero elastico. Le officine che padroneggiano il controllo dello stress residuo mantengono regolarmente la planarità entro 0,001 pollici per piede sulle parti in alluminio lavorato. I loro concorrenti continuano a inseguire le parti deformate in tutta l’officina, convinti che l’alluminio sia un metallo instabile. Non è il metallo ad essere instabile. È uno stress incontrollato.
