Hliník pro CNC obrábění materiálů
Hliník je jedním z nejvíce obráběných materiálů, které jsou dnes k dispozici. Ve skutečnosti jsou CNC obrábění hliníku co do četnosti provádění druhé nejčastější, hned po oceli. To je dáno především jeho vynikající obrobitelností.
Ve své nejčistší formě je chemický prvek hliník měkký, tvárný, nemagnetický a stříbřitě bílého vzhledu. Tento prvek se však nepoužívá pouze v čisté formě. Hliník se obvykle leguje s různými prvky, jako je mangan, měď a hořčík, a vytváří tak stovky hliníkových slitin s různými výrazně vylepšenými vlastnostmi.
Tento článek zkoumá procesy, nástroje, parametry a výzvy spojené s CNC obráběním hliníku a jeho slitin. Zabývá se také vlastnostmi hliníku, nejoblíbenějších slitin používaných v CNC obrábění, a také aplikací hliníku v různých průmyslových odvětvích.
Obrábění
Hliník se snadno tvaruje, opracovává a obrábí pomocí různých procesů. Lze jej rychle a snadno řezat obráběcími stroji, protože je měkký a snadno se odštípává. Je také levnější a k obrábění vyžaduje méně energie než ocel. Tyto vlastnosti jsou nesmírně výhodné jak pro obráběče, tak pro zákazníka, který si díl objednává. Dobrá obrobitelnost hliníku navíc znamená, že se během obrábění méně deformuje. To vede k vyšší přesnosti, protože umožňuje CNC strojům dosahovat vyšších tolerancí.
Poměr pevnosti a hmotnosti
Hliník má zhruba třetinovou hustotu oproti oceli. Díky tomu je relativně lehký. Navzdory své nízké hmotnosti má hliník velmi vysokou pevnost. Tato kombinace pevnosti a nízké hmotnosti se popisuje jako poměr pevnosti k hmotnosti materiálů. Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti hliníku ho činí vhodným pro výrobu dílů potřebných v několika průmyslových odvětvích, jako je automobilový a letecký průmysl.
Odolnost proti korozi
Hliník je odolný proti poškrábání a korozi v běžných mořských a atmosférických podmínkách. Tyto vlastnosti můžete vylepšit eloxováním. Je důležité si uvědomit, že odolnost proti korozi se u různých druhů hliníku liší. Nejčastěji CNC obráběné druhy však mají největší odolnost.
Výkon při nízkých teplotách
Většina materiálů má tendenci ztrácet některé ze svých žádoucích vlastností při teplotách pod bodem mrazu. Například uhlíkové oceli i pryž při nízkých teplotách křehnou. Hliník si zase zachovává svou měkkost, tažnost a pevnost i při velmi nízkých teplotách.
Elektrická vodivost
Elektrická vodivost čistého hliníku je při pokojové teplotě přibližně 37.7 milionů siemensů na metr. Ačkoli hliníkové slitiny mohou mít nižší vodivost než čistý hliník, jsou dostatečně vodivé, aby jejich součásti našly uplatnění v elektrických součástkách. Na druhou stranu by hliník byl nevhodným materiálem, pokud by elektrická vodivost nebyla žádoucí vlastností obráběného dílu.
Recyklovatelnost
Vzhledem k tomu, že se jedná o subtraktivní výrobní proces, generují CNC obrábění velké množství třísek, které jsou odpadním materiálem. Hliník je vysoce recyklovatelný, což znamená, že jeho recyklace vyžaduje relativně málo energie, úsilí a nákladů. Díky tomu je výhodnější pro ty, kteří chtějí získat zpět výdaje nebo snížit plýtvání materiálem. Hliník je také ekologičtějším materiálem pro obrábění.
Potenciál eloxování
Anodizace, což je proces povrchové úpravy, který zvyšuje odolnost materiálu proti opotřebení a korozi, se u hliníku snadno provádí. Tento proces také usnadňuje přidávání barvy na obráběné hliníkové díly.
Oblíbené hliníkové slitiny pro CNC obrábění
Z našich zkušeností v Xometry vyplývá, že následujících 5 druhů hliníku patří k nejčastěji používaným pro CNC obrábění.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternativní označení: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Tato hliníková slitina obsahuje jako hlavní legující prvek měď (4-5 %) mědi. Jedná se o slitinu s krátkými třískami, která je odolná, lehká, vysoce funkční a má stejně vysoké mechanické vlastnosti jako AW 2030. Je také vhodná pro řezání závitů, tepelné zpracování a vysokorychlostní obrábění. Díky těmto vlastnostem se EN AW 2007 široce používá při výrobě strojních součástí, šroubů, nýtů, matic a závitových tyčí. Tato jakost hliníku má však nízkou svařitelnost a nízkou odolnost proti korozi, proto se po obrábění součásti doporučuje provést ochrannou eloxaci.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternativní označení: 3.3547; Slitina 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 je známá pro svůj vynikající výkon v náročných podmínkách. Obsahuje hořčík a malé stopy chromu a manganu. Tato jakost má velmi vysokou odolnost proti korozi v chemickém i mořském prostředí. Ze všech slitin, které nelze tepelně zpracovat, má AW 5080 nejvyšší pevnost; tuto vlastnost si zachovává i po svařování. I když by se tato slitina neměla používat v aplikacích s teplotami vyššími než 65 °C, vyniká v aplikacích s nízkými teplotami.
Díky svým žádoucím vlastnostem se AW 5080 používá v mnoha aplikacích, včetně kryogenních zařízení, námořních aplikací, tlakových zařízení, chemických aplikací, svařovaných konstrukcí a karoserií vozidel.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternativní označení: 3.3535; Slitina 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
AW 5754, tvářená slitina hliníku a hořčíku s nejvyšším procentem hliníku, lze válcovat, kovat a extrudovat. Není také tepelně zpracovatelná a lze ji tvářet za studena pro zvýšení její pevnosti, ale s nižší tažností. Tato slitina má navíc vynikající odolnost proti korozi a vysokou pevnost. Vzhledem k těmto vlastnostem je pochopitelné, že AW 5754 je jednou z nejoblíbenějších CNC obráběných jakostí hliníku. Obvykle se používá ve svařovaných konstrukcích, podlahových aplikacích, rybářském vybavení, karoseriích vozidel, při zpracování potravin a nýtech.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternativní označení: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Jedná se o tvářenou hliníkovou slitinu obsahující hořčík a křemík. Je tepelně zpracovatelná a má průměrnou pevnost, dobrou svařitelnost a dobrou tvařitelnost. Je také vysoce odolná vůči korozi; tuto vlastnost lze dále vylepšit eloxováním. EN AW 6060 se často používá ve stavebnictví, potravinářském průmyslu, lékařských zařízeních a automobilovém průmyslu.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternativní označení: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zinek je hlavním legujícím prvkem v této jakosti hliníku. Ačkoli má EN AW 7075 průměrnou obrobitelnost, špatné vlastnosti pro tváření za studena a není vhodná pro svařování ani pájení, má vysoký poměr pevnosti k hustotě, vynikající odolnost vůči atmosférickým a mořským vlivům a pevnost srovnatelnou s některými ocelovými slitinami. Tato slitina se používá ve velmi široké škále aplikací, včetně rámů závěsných kluzáků a jízdních kol, horolezeckého vybavení, zbraní a výroby forem.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternativní označení: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Tato slitina obsahuje jako hlavní legující prvky hořčík a křemík se stopovým množstvím mědi. S pevností v tahu 180 MPa se jedná o vysoce pevnou slitinu, která je velmi vhodná pro vysoce zatížené konstrukce, jako jsou lešení, železniční vagony, strojní a letecké součásti.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternativní označení: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Tato slitina, typicky tvarovaná válcováním a extruzí, má střední pevnost s velmi dobrou svařitelností a tepelnou vodivostí. Má vysokou odolnost proti koroznímu praskání pod napětím. Její pevnost v tahu se pohybuje v rozmezí 140–330 MPa. Hojně se používá při stavbě offshore konstrukcí a kontejnerů.
CNC obrábění hliníku
Hliník můžete obrábět řadou CNC obráběcích procesů, které jsou dnes k dispozici. Mezi tyto procesy patří například následující.
CNC soustružení
Při CNC soustružení se obrobek otáčí, zatímco řezný nástroj s jedním hrotem zůstává nehybný podél své osy. V závislosti na stroji provádí buď obrobek, nebo řezný nástroj posuvný pohyb proti sobě, aby dosáhl úběru materiálu.
CNC frézování
CNC frézovací operace jsou nejčastěji používané při obrábění hliníkových dílů. Tyto operace zahrnují otáčení vícebodového řezu kolem jeho osy, zatímco obrobek zůstává nehybný podél své vlastní osy. Řezání a následný úběr materiálu se dosahuje posuvným pohybem buď obrobku, řezného nástroje, nebo obou dohromady. Tento pohyb lze provádět podél více os.
Kapsy
Kapsování, známé také jako frézování kapes, je forma CNC frézování, při které se v součásti obrábí dutá kapsa.
Obložení
Čelní obrábění při obrábění zahrnuje vytvoření ploché průřezové plochy na povrchu obrobku buď čelním soustružením, nebo čelním frézováním.
CNC vrtání
CNC vrtání je proces vytváření otvoru v obrobku. Při této operaci se vícebodový rotační řezný nástroj určité velikosti pohybuje v přímce kolmé k vrtanému povrchu, čímž efektivně vytváří otvor.
Nástroje pro obrábění hliníku
Existuje několik faktorů, které ovlivňují výběr nástroje pro CNC obrábění hliníku.
Design nástrojů
Existují různé aspekty geometrie nástroje, které přispívají k jeho účinnosti při obrábění hliníku. Jedním z nich je počet drážek. Aby se předešlo problémům s odváděním třísek při vysokých rychlostech, měly by mít řezné nástroje pro CNC obrábění hliníku 2–3 drážky. Vyšší počet drážek vede k menším úžlabím pro třísky. To způsobí, že se velké třísky produkované hliníkovými slitinami zaseknou. Pokud jsou řezné síly nízké a odvádění třísek je pro proces kritické, měli byste použít 2 drážky. Pro dokonalou rovnováhu mezi odváděním třísek a pevností nástroje použijte 3 drážky.
Helix Angle
Úhel šroubovice je úhel mezi středovou osou nástroje a přímkou tečnou podél břitu. Je to důležitá vlastnost řezných nástrojů. Vyšší úhel šroubovice sice odvádí třísky z dílu rychleji, ale zároveň zvyšuje tření a teplo během řezání. To může způsobit, že se třísky přivaří k povrchu nástroje během vysokorychlostního CNC obrábění hliníku. Nižší úhel šroubovice naopak produkuje méně tepla, ale nemusí účinně odvádět třísky. Pro obrábění hliníku je pro hrubovací aplikace vhodný úhel šroubovice 35° nebo 40°, zatímco pro dokončovací obrábění je nejlepší úhel šroubovice 45°.
Světlý úhel
Úhel hřbetu nástroje je dalším důležitým faktorem pro správnou funkci nástroje. Příliš velký úhel by způsobil zařezávání nástroje do obrobku a chvění. Na druhou stranu příliš malý úhel by způsobil tření mezi nástrojem a obrobkem. Pro CNC obrábění hliníku jsou nejvhodnější úhly hřbetu nástroje mezi 6° a 10°.
Materiál nástroje
Karbid je preferovaným materiálem pro řezné nástroje používané při CNC obrábění hliníku. Protože hliník je měkký materiál, u řezného nástroje pro hliník není důležitá tvrdost, ale schopnost udržet si ostrou hranu. Tuto schopnost mají karbidové nástroje a závisí na dvou faktorech: velikosti zrna karbidu a poměru pojiva. Zatímco větší velikost zrna vede k tvrdšímu materiálu, menší velikost zrna zaručuje houževnatější a odolnější materiál proti nárazu, což je vlastně vlastnost, kterou požadujeme. Menší zrna vyžadují kobalt k dosažení jemnozrnné struktury a pevnosti materiálu.
Kobalt však reaguje s hliníkem za vysokých teplot a na povrchu nástroje vytváří hliníkový nárůstek. Klíčem je použití karbidového nástroje se správným množstvím kobaltu (2–20 %), aby se tato reakce minimalizovala a zároveň se zachovala požadovaná pevnost. Karbidové nástroje obvykle lépe odolávají vysokým rychlostem spojeným s CNC obráběním hliníku než ocelové nástroje.
Kromě materiálu nástroje je důležitým faktorem pro účinnost obrábění nástroje i jeho povlak. Mezi vhodné povlaky pro nástroje používané při CNC obrábění hliníku patří ZrN (nitrid zirkonia), TiB2 (diborid titaničitý) a diamantové povlaky.
Posuvy a rychlosti
Řezná rychlost je rychlost, s jakou se řezný nástroj otáčí. Hliník snese velmi vysokou řeznou rychlost, proto řezná rychlost hliníkových slitin závisí na limitech použitého stroje. Rychlost by měla být co nejvyšší při CNC obrábění hliníku, protože to snižuje možnost tvorby nárůstků na břitech, šetří čas, minimalizuje nárůst teploty v dílu, zlepšuje lámání třísek a zlepšuje konečnou úpravu. Přesná použitá rychlost se liší v závislosti na hliníkové slitině a průměru nástroje.
Rychlost posuvu je vzdálenost, o kterou se obrobek nebo nástroj posune za jednu otáčku nástroje. Použitý posuv závisí na požadovaném výsledku, pevnosti a tuhosti obrobku. Hrubovací řezy vyžadují posuv 0.15 až 2.03 mm/ot., zatímco dokončovací řezy vyžadují posuv 0.05 až 0.15 mm/ot.
Řezná kapalina
I přes obrobitelnost hliníku nikdy neřežte nasucho, protože to podporuje tvorbu nárůstků na hranách. Vhodné řezné kapaliny pro CNC obrábění hliníku jsou emulze rozpustných olejů a minerální oleje. Vyhněte se řezným kapalinám obsahujícím chlór nebo aktivní síru, protože tyto prvky hliník znečišťují.
Post-obráběcí procesy
Po obrábění hliníkového dílu existují určité procesy, které můžete provést pro zlepšení fyzikálních, mechanických a estetických vlastností dílu. Nejrozšířenější procesy jsou následující.
Tryskání perličkami a pískováním
Tryskání perličkami je dokončovací proces pro estetické účely. Při tomto procesu je obrobený díl tryskán drobnými skleněnými kuličkami pomocí vysokotlaké vzduchové pistole, čímž se účinně odstraňuje materiál a zajišťuje hladký povrch. Hliník tak získává saténový nebo matný povrch. Hlavními procesními parametry pro tryskání perličkami jsou velikost skleněných kuliček a množství použitého tlaku vzduchu. Tento proces používejte pouze tehdy, když rozměrové tolerance dílu nejsou kritické.
Mezi další dokončovací procesy patří leštění a lakování.
Povlak
To zahrnuje povlakování hliníkového dílu jiným materiálem, jako je zinek, nikl a chrom. To se provádí za účelem zlepšení procesů výroby dílů a lze toho dosáhnout elektrochemickými procesy.
Eloxování
Anodizace je elektrochemický proces, při kterém se hliníkový díl ponoří do roztoku zředěné kyseliny sírové a na katodu a anodu se přivede elektrické napětí. Tento proces účinně přemění exponované povrchy dílu na tvrdý, elektricky nereaktivní povlak oxidu hlinitého. Hustota a tloušťka vytvořeného povlaku závisí na konzistenci roztoku, době eloxování a elektrickém proudu. Anodizaci můžete také provést za účelem obarvení dílu.
Práškové lakování
Proces práškového lakování zahrnuje potažení dílu barevným polymerním práškem pomocí elektrostatické stříkací pistole. Díl se poté nechá vytvrdnout při teplotě 200 °C. Práškové lakování zlepšuje pevnost a odolnost proti opotřebení, korozi a nárazům.
Tepelné zpracování
Díly vyrobené ze zušlechtitelných hliníkových slitin mohou být tepelně zpracovány za účelem zlepšení svých mechanických vlastností.
Aplikace CNC obráběných hliníkových dílů v průmyslu
Jak již bylo uvedeno, hliníkové slitiny mají řadu žádoucích vlastností. Proto jsou CNC obráběné hliníkové díly nepostradatelné v několika odvětvích, včetně následujících:
- Letecký a vesmírný průmysl: díky vysokému poměru pevnosti k hmotnosti se několik leteckých součástí vyrábí z obráběného hliníku;
- Automobilový průmyslpodobně jako v leteckém průmyslu se i v automobilovém průmyslu několik dílů, jako jsou hřídele a další komponenty, vyrábí z hliníku;
- ElektrickýDíky vysoké elektrické vodivosti se CNC obráběné hliníkové díly často používají jako elektronické součástky v elektrických spotřebičích;
- Potraviny/farmaceutikaProtože nereagují s většinou organických látek, hrají hliníkové díly důležitou roli v potravinářském a farmaceutickém průmyslu;
- Sportovníhliník se často používá k výrobě sportovního vybavení, jako jsou baseballové pálky a sportovní píšťalky;
- CryogenicsSchopnost hliníku zachovat si své mechanické vlastnosti i při teplotách pod bodem mrazu činí hliníkové díly žádoucími pro kryogenní aplikace.