مواد الألمنيوم المستخدمة في عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)
يُعدّ الألومنيوم من أكثر المواد التي تُشَكَّل آلياً في الوقت الحاضر. في الواقع، تأتي عمليات تشكيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC في المرتبة الثانية بعد الفولاذ من حيث تكرار التنفيذ. ويعود ذلك أساساً إلى سهولة تشكيله.
في أنقى صوره، يتميز عنصر الألومنيوم بأنه لين، قابل للطرق، غير مغناطيسي، وذو لون أبيض فضي. مع ذلك، لا يُستخدم هذا العنصر في صورته النقية فقط، بل يُخلط عادةً مع عناصر أخرى مثل المنغنيز والنحاس والمغنيسيوم لتكوين مئات من سبائك الألومنيوم ذات خصائص محسّنة بشكل ملحوظ.
تستكشف هذه المقالة العمليات والأدوات والمعايير والتحديات التي تنطوي عليها عملية التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) للألمنيوم وسبائكه. كما تناقش خصائص الألمنيوم، وأكثر السبائك شيوعًا المستخدمة في التصنيع باستخدام الحاسوب، بالإضافة إلى تطبيقات الألمنيوم في مختلف الصناعات.
التشغيل في الماكينات
يُمكن تشكيل الألومنيوم ومعالجته وتصنيعه بسهولة باستخدام مجموعة متنوعة من العمليات. يُمكن قطعه بسرعة وسهولة باستخدام أدوات الآلات نظرًا لليونته وسهولة تشظيه. كما أنه أقل تكلفة ويتطلب طاقة أقل للتصنيع مقارنةً بالفولاذ. تُعد هذه الخصائص ذات فوائد جمة لكل من فني التشغيل والعميل الذي يطلب القطعة. علاوة على ذلك، فإن سهولة تشكيل الألومنيوم تعني أنه يتشوه بشكل أقل أثناء عملية التصنيع، مما يؤدي إلى دقة أعلى حيث يسمح لآلات CNC بتحقيق هوامش خطأ أكبر.
نسبة القوة إلى الوزن
تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي ثلث كثافة الفولاذ، مما يجعله خفيف الوزن نسبيًا. ورغم خفة وزنه، يتمتع الألومنيوم بقوة عالية جدًا. يُعرف هذا المزيج من القوة وخفة الوزن بنسبة القوة إلى الوزن للمواد. وبفضل هذه النسبة العالية، يُعد الألومنيوم خيارًا مثاليًا لصناعة الأجزاء المطلوبة في العديد من الصناعات، مثل صناعة السيارات والطيران.
المقاومة للتآكل
يتميز الألومنيوم بمقاومته للخدش والتآكل في الظروف البحرية والجوية الشائعة. ويمكن تعزيز هذه الخصائص عن طريق عملية الأنودة. ومن الجدير بالذكر أن مقاومة التآكل تختلف باختلاف أنواع الألومنيوم، إلا أن الأنواع التي تُصنّع باستخدام آلات CNC بشكل منتظم تتمتع بأعلى مستويات المقاومة.
الأداء في درجات حرارة منخفضة
تميل معظم المواد إلى فقدان بعض خصائصها المرغوبة عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا. فعلى سبيل المثال، يصبح كل من الفولاذ الكربوني والمطاط هشًا عند درجات الحرارة المنخفضة. أما الألومنيوم، فيحتفظ بليونته وليونته وقوته عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا.
التوصيل الكهربائي
تبلغ الموصلية الكهربائية للألمنيوم النقي حوالي 37.7 مليون سيمنز لكل متر عند درجة حرارة الغرفة. ورغم أن سبائك الألمنيوم قد تكون أقل موصلية من الألمنيوم النقي، إلا أنها موصلة بما يكفي لاستخدام أجزائها في المكونات الكهربائية. من جهة أخرى، يُعد الألمنيوم مادة غير مناسبة إذا لم تكن الموصلية الكهربائية خاصية مرغوبة في القطعة المصنعة.
قابلية إعادة التدوير
بما أن عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) تعتمد على طرح المواد، فإنها تُنتج كمية كبيرة من الرقائق المعدنية، التي تُعتبر نفايات. يتميز الألومنيوم بقابليته العالية لإعادة التدوير، مما يعني أنه يتطلب طاقة وجهدًا وتكلفة منخفضة نسبيًا لإعادة تدويره. وهذا ما يجعله خيارًا مفضلًا لمن يرغبون في استرداد نفقاتهم أو تقليل هدر المواد. كما يجعل الألومنيوم مادةً أكثر ملاءمةً للبيئة عند تشكيلها.
إمكانية أنودة
تُعدّ عملية الأنودة، وهي عملية تشطيب سطحي تزيد من مقاومة المادة للتآكل والصدأ، سهلة التطبيق على الألومنيوم. كما تُسهّل هذه العملية إضافة اللون إلى قطع الألومنيوم المشغّلة آلياً.
سبائك الألومنيوم الشعبية للتصنيع باستخدام الحاسب الآلي
من واقع خبرتنا في Xometry، فإن درجات الألومنيوم الخمس التالية هي من بين أكثر الدرجات استخدامًا في عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC).
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
تسميات بديلة: 3.1645؛ إن 573-3؛ AlCu4PbMgMn.
تحتوي سبائك الألومنيوم هذه على النحاس باعتباره العنصر الرئيسي في صناعة السبائك (4-5٪) من النحاس. إنها عبارة عن سبيكة قصيرة التقطيع تتميز بالمتانة والخفيفة والأداء العالي ولها نفس الخصائص الميكانيكية العالية مثل AW 2030. كما أنها مناسبة للخيوط والمعالجة الحرارية والتصنيع عالي السرعة. كل هذه الخصائص تجعل EN AW 2007 يستخدم على نطاق واسع في إنتاج أجزاء الماكينات، والمسامير، وصواميل المسامير، والمسامير، والقضبان الملولبة. ومع ذلك، فإن درجة الألومنيوم هذه لديها قابلية لحام منخفضة ومقاومة منخفضة للتآكل؛ لذلك يوصى بإجراء الأنودة الوقائية بعد تصنيع الأجزاء.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
تسميات بديلة: 3.3547؛ سبيكة 5083؛ إن 573-3؛ أونس A95083؛ أستم B209؛ AlMg4.5Mn0.7
تشتهر AW 5083 بأدائها الممتاز في البيئات القاسية. يحتوي على المغنيسيوم وآثار صغيرة من الكروم والمنغنيز. يتمتع هذا الصف بمقاومة عالية جدًا للتآكل في كل من البيئات الكيميائية والبحرية. من بين جميع السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة، تتمتع AW 5080 بأعلى قوة؛ خاصية يحتفظ بها حتى بعد اللحام. في حين أنه لا ينبغي استخدام هذه السبيكة في التطبيقات ذات درجات الحرارة الأعلى من 65 درجة مئوية، إلا أنها تتفوق في التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة.
نظرًا لمجموعة الخصائص المرغوبة، يتم استخدام AW 5080 في العديد من التطبيقات بما في ذلك المعدات المبردة والتطبيقات البحرية ومعدات الضغط والتطبيقات الكيميائية والإنشاءات الملحومة وهياكل المركبات.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
تسميات بديلة: 3.3535؛ سبيكة 5754؛ إن 573-3؛ U21NS A95754; أستم ب 209؛ آل مج3.
كونها سبيكة من الألومنيوم والمغنيسيوم المطروق تحتوي على أعلى نسبة من الألومنيوم، يمكن دحرجة AW 5754 وتشكيلها وقذفها. كما أنه غير قابل للمعالجة بالحرارة ويمكن معالجته على البارد لزيادة قوته، ولكن بمرونة أقل. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه السبيكة بمقاومة ممتازة للتآكل ولها قوة عالية. بالنظر إلى هذه الخصائص، فمن المفهوم أن AW 5754 هي واحدة من أكثر درجات الألومنيوم المصنعة باستخدام الحاسب الآلي شيوعًا. يتم استخدامه عادةً في الهياكل الملحومة وتطبيقات الأرضيات ومعدات الصيد وهياكل المركبات وتجهيز الأغذية والمسامير.
EN AW-6060 / 3.3206 / المجسي
تسميات بديلة: 3.3206؛ إسو 6361؛ أونس A96060؛ أستم ب 221؛ AlMgSi0,5
هذه عبارة عن سبائك الألومنيوم المطاوع التي تحتوي على المغنيسيوم والسيليكون. إنه قابل للمعالجة بالحرارة وله قوة متوسطة وقابلية لحام جيدة وقابلية تشكيل جيدة. كما أنها شديدة المقاومة للتآكل. خاصية يمكن تحسينها بشكل أكبر من خلال التحليل بالأنودة. غالبًا ما يستخدم EN AW 6060 في البناء وتجهيز الأغذية والمعدات الطبية وهندسة السيارات.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
تسميات بديلة: 3.4365؛ أونس A96082؛ ح30؛ آل-Zn6MgCu.
الزنك هو عنصر صناعة السبائك الأساسي في هذا النوع من الألومنيوم. على الرغم من أن EN AW 7075 يتمتع بقابلية تصنيع متوسطة، وخصائص تشكيل باردة ضعيفة، وغير مناسب لكل من اللحام واللحام؛ فهو يتمتع بنسبة قوة إلى كثافة عالية، ومقاومة ممتازة للبيئات الجوية والبحرية، وقوة تضاهي بعض سبائك الفولاذ. يتم استخدام هذه السبيكة في مجموعة واسعة جدًا من التطبيقات بما في ذلك الطائرات الشراعية المعلقة وإطارات الدراجات ومعدات تسلق الصخور والأسلحة وتصنيع أدوات القوالب.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
تسميات بديلة: 3.3211، أونس A96061، A6061، آل Mg1SiCu.
تحتوي هذه السبيكة على المغنيسيوم والسيليكون كعناصر صناعة السبائك الرئيسية مع كميات ضئيلة من النحاس. مع قوة شد تبلغ 180 ميجا باسكال، فهي سبيكة عالية القوة ومناسبة جدًا للهياكل ذات الأحمال العالية مثل السقالات وعربات السكك الحديدية وأجزاء الآلات والفضاء.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
تسميات بديلة: 3.2315، أونس A96082، A-SGM0,7،1، آل SiXNUMXMg.
يتم تشكيل هذه السبيكة عادةً عن طريق الدرفلة والبثق، وتتميز بقوة متوسطة مع قابلية لحام جيدة جدًا وموصلية حرارية. لديها مقاومة عالية للتآكل والتآكل. تتمتع بقوة شد تتراوح من 140 إلى 330 ميجا باسكال. يتم استخدامه بكثافة في البناء البحري والحاويات.
عمليات تصنيع الألومنيوم باستخدام الحاسب الآلي
يمكنك تصنيع الألمنيوم من خلال عدد من عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي المتاحة اليوم. بعض هذه العمليات هي كما يلي.
CNC خراطة
في عمليات الخراطة باستخدام الحاسوب (CNC)، تدور قطعة العمل، بينما تبقى أداة القطع أحادية النقطة ثابتة على طول محورها. وبحسب نوع الآلة، تقوم إما قطعة العمل أو أداة القطع بحركة تغذية عكسية لإزالة المادة.
CNC الطحن
تُعدّ عمليات التفريز باستخدام الحاسوب (CNC) الأكثر شيوعًا في تصنيع قطع الألومنيوم. تتضمن هذه العمليات دوران أداة القطع متعددة النقاط حول محورها، بينما تبقى قطعة العمل ثابتة حول محورها. يتم تحقيق عملية القطع، وبالتالي إزالة المادة، من خلال حركة التغذية إما لقطعة العمل، أو لأداة القطع، أو كليهما معًا. يمكن تنفيذ هذه الحركة على محاور متعددة.
جيبه
يُعرف أيضًا باسم الطحن الجيبي، وهو شكل من أشكال الطحن باستخدام الحاسب الآلي حيث يتم تشكيل الجيب المجوف في جزء منه.
مواجهة
تتضمن عملية المواجهة في التصنيع إنشاء منطقة مقطعية مسطحة على سطح قطعة العمل من خلال تدوير الوجه أو طحن الوجه.
الحفر باستخدام الحاسب الآلي
الحفر باستخدام الحاسوب هو عملية إحداث ثقب في قطعة العمل. في هذه العملية، تتحرك أداة قطع دوارة متعددة النقاط ذات حجم معين في خط مستقيم عمودي على السطح المراد حفره، مما يؤدي إلى إنشاء ثقب فعلي.
أدوات تشكيل الألومنيوم
هناك عدة عوامل تؤثر على اختيار أداة لتصنيع الألومنيوم باستخدام الحاسوب (CNC).
تصميم الأدوات
تساهم جوانب مختلفة من هندسة أداة القطع في كفاءتها عند تشكيل الألومنيوم، ومنها عدد الشفرات. ولتجنب صعوبة إخراج الرايش عند السرعات العالية، يُفضل أن تحتوي أدوات القطع المستخدمة في تشكيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC على 2-3 شفرات. يؤدي زيادة عدد الشفرات إلى تقليل مساحة الرايش المتكون، مما يمنع تراكم الرايش الكبير الناتج عن سبائك الألومنيوم. عندما تكون قوى القطع منخفضة ويكون إخراج الرايش بالغ الأهمية، يُنصح باستخدام شفرتين. ولتحقيق التوازن الأمثل بين إخراج الرايش وقوة الأداة، يُفضل استخدام 3 شفرات.
الحلزون زاوية
زاوية الحلزون هي الزاوية المحصورة بين الخط المركزي للأداة وخط مستقيم مماس لحافة القطع. وهي خاصية مهمة لأدوات القطع. فبينما تُزيل زاوية الحلزون العالية الرايش من القطعة بسرعة أكبر، إلا أنها تزيد الاحتكاك والحرارة أثناء القطع. وقد يؤدي ذلك إلى التصاق الرايش بسطح الأداة أثناء عمليات تشغيل الألومنيوم عالية السرعة باستخدام آلات CNC. أما زاوية الحلزون المنخفضة، فتُنتج حرارة أقل، ولكنها قد لا تُزيل الرايش بكفاءة. عند تشغيل الألومنيوم، تُعد زاوية حلزون 35° أو 40° مناسبة لعمليات التشغيل الخشن، بينما تُعد زاوية حلزون 45° هي الأفضل لعمليات التشطيب.
زاوية الصافي
تُعدّ زاوية الخلوص عاملاً مهماً آخر لضمان الأداء السليم للأداة. فالزاوية الكبيرة جداً قد تتسبب في انغراس الأداة في قطعة العمل واهتزازها. بينما الزاوية الصغيرة جداً قد تُسبب احتكاكاً بين الأداة وقطعة العمل. وتُعتبر زوايا الخلوص بين 6° و10° مثاليةً لتشغيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC.
أداة المواد
يُعد الكربيد المادة المُفضلة لأدوات القطع المستخدمة في تشكيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC. ولأن الألومنيوم مادة لينة عند القطع، فإن الأهم في أداة القطع ليس الصلابة، بل القدرة على الحفاظ على حافة حادة كشفرة الحلاقة. هذه القدرة متوفرة في أدوات الكربيد، وتعتمد على عاملين: حجم حبيبات الكربيد ونسبة المادة الرابطة. فبينما ينتج عن حجم الحبيبات الأكبر مادة أكثر صلابة، يضمن حجم الحبيبات الأصغر مادة أكثر متانة ومقاومة للصدمات، وهي الخاصية المطلوبة. تتطلب الحبيبات الأصغر وجود الكوبالت لتحقيق بنية الحبيبات الدقيقة وقوة المادة.
مع ذلك، يتفاعل الكوبالت مع الألومنيوم عند درجات الحرارة العالية، مُشكِّلاً طبقةً سميكةً من الألومنيوم على سطح الأداة. يكمن الحل في استخدام أداة من الكربيد تحتوي على نسبة مناسبة من الكوبالت (2-20%)، لتقليل هذا التفاعل مع الحفاظ على المتانة المطلوبة. تتميز أدوات الكربيد بقدرتها على تحمل السرعات العالية المصاحبة لتصنيع الألومنيوم باستخدام آلات CNC بشكل أفضل من أدوات الصلب.
إلى جانب مادة الأداة، يُعد طلاء الأداة عاملاً مهماً في كفاءة القطع. ومن بين أنواع الطلاء المناسبة للأدوات المستخدمة في تشغيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC: نيتريد الزركونيوم (ZrN)، وثنائي بوريد التيتانيوم (TiB2)، والطلاءات الشبيهة بالماس.
الخلاصات والسرعات
سرعة القطع هي سرعة دوران أداة القطع. يتحمل الألومنيوم سرعات قطع عالية جدًا، لذا فإن سرعة القطع لسبائك الألومنيوم تعتمد على حدود الماكينة المستخدمة. ينبغي أن تكون السرعة عالية قدر الإمكان في عمليات تشغيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC، لأن ذلك يقلل من احتمالية تراكم الحواف، ويوفر الوقت، ويقلل من ارتفاع درجة حرارة القطعة، ويحسن من تكسر الرايش، ويحسن من جودة التشطيب. تختلف السرعة المستخدمة باختلاف سبيكة الألومنيوم وقطر أداة القطع.
معدل التغذية هو المسافة التي تقطعها قطعة العمل أو الأداة لكل دورة للأداة. يعتمد معدل التغذية المستخدم على التشطيب المطلوب، وقوة وصلابة قطعة العمل. تتطلب القطع الخشنة معدل تغذية يتراوح بين 0.15 و2.03 مم/دورة، بينما تتطلب القطع النهائية معدل تغذية يتراوح بين 0.05 و0.15 مم/دورة.
قطع السوائل
على الرغم من سهولة تشكيل الألومنيوم، تجنب قطعه جافًا لأن ذلك يُؤدي إلى تراكم الحواف. سوائل القطع المناسبة لتشغيل الألومنيوم باستخدام آلات CNC هي مستحلبات الزيوت القابلة للذوبان والزيوت المعدنية. تجنب سوائل القطع التي تحتوي على الكلور أو الكبريت النشط لأن هذه العناصر تُلطخ الألومنيوم.
عمليات ما بعد التصنيع
بعد تصنيع جزء من الألومنيوم، هناك عمليات معينة يمكنك تنفيذها لتحسين الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والجمالية للجزء. العمليات الأكثر انتشارا هي كما يلي.
التفجير بالخرز والرمل
إن عملية تفجير الخرزة هي عملية تشطيب لأغراض جمالية. في هذه العملية، يتم تفجير الجزء المُشكل آليًا بخرزات زجاجية صغيرة باستخدام مسدس هواء عالي الضغط، مما يؤدي إلى إزالة المواد بشكل فعال وضمان سطح أملس. إنه يمنح الألومنيوم لمسة نهائية من الساتان أو غير اللامع. معلمات العملية الرئيسية لتفجير الخرز هي حجم الخرز الزجاجي وكمية ضغط الهواء المستخدم. استخدم هذه العملية فقط عندما لا تكون تفاوتات الأبعاد للجزء حرجة.
وتشمل عمليات التشطيب الأخرى التلميع والطلاء.
تتبيلة
يتضمن ذلك طلاء جزء من الألومنيوم بمادة أخرى مثل الزنك والنيكل والكروم. يتم ذلك لتحسين عمليات الأجزاء ويمكن تحقيقه من خلال العمليات الكهروكيميائية.
أنودة
الأنودة هي عملية كهروكيميائية يتم فيها غمس جزء من الألومنيوم في محلول حمض الكبريتيك المخفف، ويتم تطبيق جهد كهربائي عبر الكاثود والأنود. تعمل هذه العملية على تحويل الأسطح المكشوفة للجزء بشكل فعال إلى طلاء أكسيد الألومنيوم الصلب وغير التفاعلي كهربائيًا. تعتمد كثافة وسمك الطلاء الذي تم إنشاؤه على اتساق المحلول ووقت الأنودة والتيار الكهربائي. يمكنك أيضًا إجراء عملية الأكسدة لتلوين جزء ما.
مسحوق الطلاء
تتضمن عملية طلاء المسحوق طلاء جزء بمسحوق بوليمر ملون باستخدام مسدس رش إلكتروستاتيكي. ثم يُترك الجزء ليُعالج عند درجة حرارة 200 درجة مئوية. يعمل طلاء المسحوق على تحسين القوة والمقاومة للتآكل والتآكل والتأثير.
المعالجة الحرارية
قد تخضع الأجزاء المصنوعة من سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة بالحرارة للمعالجة الحرارية لتحسين خواصها الميكانيكية.
تطبيقات قطع الألمنيوم المصنعة باستخدام الحاسوب في الصناعة
كما ذكرنا سابقًا، تتمتع سبائك الألومنيوم بعدد من الخصائص المرغوبة. ومن ثم، لا غنى عن أجزاء الألومنيوم المصنعة باستخدام الحاسب الآلي في العديد من الصناعات، بما في ذلك ما يلي:
- فضاء: نظرًا لنسبة قوتها إلى وزنها العالية، يتم تصنيع العديد من تجهيزات الطائرات من الألومنيوم المُشكَّل؛
- سيارات: على غرار صناعة الطيران، يتم تصنيع عدة أجزاء مثل الأعمدة والمكونات الأخرى في صناعة السيارات من الألومنيوم؛
- كهرباء: نظرًا لوجود موصلية كهربائية عالية، غالبًا ما تستخدم أجزاء الألومنيوم المُشكَّلة باستخدام الحاسب الآلي كمكونات إلكترونية في الأجهزة الكهربائية؛
- الغذاء / الأدوية: نظرًا لأنها لا تتفاعل مع معظم المواد العضوية، فإن أجزاء الألومنيوم تلعب أدوارًا مهمة في الصناعات الغذائية والدوائية؛
- رياضية: غالبًا ما يستخدم الألومنيوم في صناعة المعدات الرياضية مثل مضارب البيسبول والصفارات الرياضية؛
- فيزياء درجات الحرارة المتدنية: إن قدرة الألومنيوم على الاحتفاظ بخصائصه الميكانيكية عند درجات حرارة أقل من الصفر، تجعل أجزاء الألومنيوم مرغوبة في التطبيقات المبردة.