Aluminium til CNC-bearbejdningsmaterialer
Aluminium er et af de mest bearbejdede materialer, der findes i dag. Faktisk er CNC-bearbejdningsprocesser for aluminium næststørste efter stål, hvad angår udførelseshyppighed. Dette skyldes primært dets fremragende bearbejdelighed.
I sin reneste form er grundstoffet aluminium blødt, duktilt, ikke-magnetisk og sølvhvidt i udseende. Grundstoffet bruges dog ikke kun i ren form. Aluminium legeres normalt med forskellige grundstoffer såsom mangan, kobber og magnesium for at danne hundredvis af aluminiumlegeringer med forskellige betydeligt forbedrede egenskaber.
Denne artikel udforsker processerne, værktøjerne, parametrene og udfordringerne forbundet med CNC-bearbejdning af aluminium og dets legeringer. Den diskuterer også egenskaberne ved aluminium, de mest populære legeringer, der anvendes i CNC-bearbejdning, samt aluminiums anvendelse i forskellige industrier.
bearbejdelighed
Aluminium formes, bearbejdes og maskinbearbejdes let ved hjælp af en række forskellige processer. Det kan hurtigt og nemt skæres med maskinværktøj, fordi det er blødt og let splinter. Det er også billigere og kræver mindre strøm at bearbejde end stål. Disse egenskaber er til store fordele for både maskinarbejderen og kunden, der bestiller delen. Desuden betyder aluminiums gode bearbejdelighed, at det deformeres mindre under bearbejdning. Dette fører til højere nøjagtighed, da det giver CNC-maskiner mulighed for at opnå højere tolerancer.
Styrke-til-vægt-forhold
Aluminium har omkring en tredjedel af ståls densitet. Dette gør det relativt let. Trods sin lette vægt har aluminium en meget høj styrke. Denne kombination af styrke og lette vægt beskrives som materialernes styrke-til-vægt-forhold. Aluminiums høje styrke-til-vægt-forhold gør det fordelagtigt til dele, der kræves i adskillige industrier, såsom bil- og luftfartsindustrien.
Korrosionsbestandighed
Aluminium er ridsefast og korrosionsbestandigt under almindelige marine og atmosfæriske forhold. Du kan forbedre disse egenskaber ved anodisering. Det er vigtigt at bemærke, at korrosionsbestandigheden varierer i forskellige aluminiumskvaliteter. De mest almindeligt CNC-bearbejdede kvaliteter har dog den største modstandsdygtighed.
Ydeevne ved lave temperaturer
De fleste materialer har en tendens til at miste nogle af deres ønskelige egenskaber ved temperaturer under frysepunktet. For eksempel bliver både kulstofstål og gummi sprøde ved lave temperaturer. Aluminium bevarer til gengæld sin blødhed, duktilitet og styrke ved meget lave temperaturer.
Elektrisk ledningsevne
Den elektriske ledningsevne af rent aluminium er omkring 37.7 millioner siemens pr. meter ved stuetemperatur. Selvom aluminiumlegeringer kan have lavere ledningsevne end rent aluminium, er de ledende nok til, at deres dele kan anvendes i elektriske komponenter. På den anden side ville aluminium være et uegnet materiale, hvis elektrisk ledningsevne ikke er en ønskelig egenskab for en maskinbearbejdet del.
Genanvendelighed
Da det er en subtraktiv fremstillingsproces, genererer CNC-bearbejdningsprocesser et stort antal spåner, som er affaldsmaterialer. Aluminium er meget genanvendeligt, hvilket betyder, at det kræver relativt lav energi, indsats og omkostninger at genbruge. Dette gør det at foretrække for dem, der ønsker at tjene udgifter ind eller reducere materialespild. Det gør også aluminium til et mere miljøvenligt materiale at bearbejde.
Anodiseringspotentiale
Anodisering, som er en overfladebehandlingsprocedure, der øger et materiales slid- og korrosionsbestandighed, er let at opnå i aluminium. Denne proces gør det også nemmere at tilføje farve til bearbejdede aluminiumsdele.
Populære aluminiumlegeringer til CNC-bearbejdning
Fra vores erfaring hos Xometry er følgende 5 aluminiumskvaliteter nogle af de mest anvendte til CNC-bearbejdning.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternative betegnelser: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Denne aluminiumlegering har kobber som sit primære legeringselement (4-5%). Det er en kortspånet legering, der er holdbar, let, yderst funktionel og har de samme høje mekaniske egenskaber som AW 2030. Den er også velegnet til gevindskæring, varmebehandling og højhastighedsbearbejdning. Alle disse egenskaber gør EN AW 2007 meget anvendt i produktionen af maskindele, bolte, nitter, møtrikker, skruer og gevindstænger. Denne aluminiumskvalitet har dog lav svejsbarhed og lav korrosionsbestandighed; derfor anbefales det at udføre beskyttende anodisering efter bearbejdning af delene.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternative betegnelser: 3.3547; Legering 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 er kendt for sin fremragende ydeevne i barske miljøer. Den indeholder magnesium og små spor af krom og mangan. Denne kvalitet har meget høj korrosionsbestandighed i både kemiske og marine miljøer. Af alle ikke-varmebehandlelige legeringer har AW 5080 den højeste styrke; en egenskab, som den bevarer selv efter svejsning. Selvom denne legering ikke bør anvendes i applikationer med temperaturer højere end 65 °C, udmærker den sig i applikationer med lave temperaturer.
På grund af sine mange ønskelige egenskaber anvendes AW 5080 i adskillige anvendelser, herunder kryogent udstyr, marine applikationer, trykudstyr, kemiske applikationer, svejsede konstruktioner og køretøjskarosserier.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternative betegnelser: 3.3535; Legering 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Da AW 5754 er en smedejernslegering med den højeste procentdel aluminium, kan den valses, smedes og ekstruderes. Den er heller ikke varmebehandlelig og kan koldbearbejdes for at øge dens styrke, men med lavere duktilitet. Derudover har denne legering fremragende korrosionsbestandighed og høj styrke. I betragtning af disse egenskaber er det forståeligt, at AW 5754 er en af de mest populære CNC-bearbejdede aluminiumskvaliteter. Den bruges typisk i svejsede strukturer, gulvbelægning, fiskeudstyr, køretøjskarosserier, fødevareforarbejdning og nitter.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternative betegnelser: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Dette er en smedet aluminiumlegering indeholdende magnesium og silicium. Den er varmebehandlelig og har en gennemsnitlig styrke, god svejsbarhed og god formbarhed. Den er også meget korrosionsbestandig; en egenskab, der kan forbedres yderligere ved anodisering. EN AW 6060 anvendes ofte i byggeri, fødevareforarbejdning, medicinsk udstyr og bilindustrien.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternative betegnelser: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zink er det primære legeringselement i denne aluminiumskvalitet. Selvom EN AW 7075 har gennemsnitlig bearbejdelighed, dårlige koldformningsegenskaber og ikke er egnet til både svejsning og lodning, har den et højt styrke-til-densitetsforhold, fremragende modstandsdygtighed over for atmosfæriske og marine miljøer og en styrke, der kan sammenlignes med nogle stållegeringer. Denne legering anvendes i en meget bred vifte af anvendelser, herunder stel til dragefly og cykler, klatreudstyr, våben og fremstilling af støbeværktøj.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternative betegnelser: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Denne legering indeholder magnesium og silicium som de vigtigste legeringselementer med spor af kobber. Med en trækstyrke på 180 MPa er dette en højstyrkelegering og er meget velegnet til højt belastede strukturer såsom stilladser, togvogne, maskin- og luftfartsdele.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternative betegnelser: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Denne legering, der typisk dannes ved valsning og ekstrudering, har en medium styrke med meget god svejsbarhed og varmeledningsevne. Den har høj modstandsdygtighed over for spændingskorrosion. Den har en trækstyrke, der spænder fra 140-330 MPa. Den anvendes i vid udstrækning i offshore-konstruktion og containere.
CNC-bearbejdningsprocesser i aluminium
Du kan bearbejde aluminium med en række af de CNC-bearbejdningsprocesser, der er tilgængelige i dag. Nogle af disse processer er som følger.
CNC Drejning
Ved CNC-drejning roterer emnet, mens enkeltpunktsværktøjet forbliver stationært langs sin akse. Afhængigt af maskinen udfører enten emnet eller skæreværktøjet en fremføringsbevægelse mod hinanden for at opnå materialefjernelse.
CNC Fræsning
CNC-fræsningsoperationer er de mest almindeligt anvendte til bearbejdning af aluminiumsdele. Disse operationer involverer rotation af en flerpunktsskæring langs sin akse, mens emnet forbliver stationært langs sin egen akse. Skærehandlingen og efterfølgende materialefjernelse opnås ved fremføringsbevægelsen af enten emnet, skæreværktøjet eller begge kombineret. Denne bevægelse kan udføres langs flere akser.
Sænkning
Lommefræsning, også kendt som lommefræsning, er en form for CNC-fræsning, hvor en hul lomme bearbejdes i en del.
Facing
Plandrejning ved bearbejdning involverer at skabe et fladt tværsnitsareal på overfladen af et emne ved enten plandrejning eller planfræsning.
CNC-boring
CNC-boring er processen med at lave et hul i et emne. I denne operation bevæger et roterende flerpunktsværktøj af en bestemt størrelse sig i en lige linje vinkelret på den overflade, der skal bores, og skaber derved effektivt et hul.
Værktøj til bearbejdning af aluminium
Der er flere faktorer, der påvirker valget af et værktøj til CNC-bearbejdning af aluminium.
Værktøjsdesign
Der er forskellige aspekter ved en værktøjsgeometri, der bidrager til dens effektivitet i bearbejdning af aluminium. Et af disse er dens antal snitter. For at forhindre vanskeligheder med spånafgang ved høje hastigheder bør skæreværktøjer til CNC-bearbejdning af aluminium have 2-3 snitter. Et højere antal snitter resulterer i mindre spåndale. Dette vil medføre, at de store spåner, der produceres af aluminiumlegeringer, sætter sig fast. Når skærekræfterne er lave, og spånafstanden er afgørende for processen, bør du bruge 2 snitter. For en perfekt balance mellem spånafstand og værktøjsstyrke skal du bruge 3 snitter.
Helix Angle
Helixvinklen er vinklen mellem et værktøjs centerlinje og en ret linje, der tangenterer langs skærekanten. Det er et vigtigt træk ved skærende værktøjer. Mens en højere helixvinkel fjerner spåner fra en del hurtigere, øger den friktionen og varmen under skæring. Dette kan få spånerne til at svejses fast til værktøjets overflade under højhastigheds-CNC-bearbejdning af aluminium. En lavere helixvinkel producerer derimod mindre varme, men fjerner muligvis ikke spåner effektivt. Til bearbejdning af aluminium er en helixvinkel på 35° eller 40° egnet til skrubdrejningsapplikationer, mens en helixvinkel på 45° er bedst til sletbearbejdning.
Frigangsvinkel
Frivinkel er en anden vigtig faktor for et værktøjs korrekte funktion. En for stor vinkel vil få værktøjet til at grave sig ned i emnet og vibrere. På den anden side vil en for lille vinkel forårsage friktion mellem værktøjet og emnet. Frivinkler mellem 6° og 10° er bedst til CNC-bearbejdning af aluminium.
Værktøjsmateriale
Karbid er det foretrukne materiale til skæreværktøjer, der anvendes i CNC-bearbejdning af aluminium. Da aluminium er blødt skærende, er det vigtige i et skæreværktøj til aluminium ikke hårdhed, men evnen til at bevare en knivskarp kant. Denne evne findes i karbidværktøjer, og den afhænger af to faktorer: karbidkornstørrelse og bindemiddelforhold. Mens en større kornstørrelse resulterer i hårdere materiale, garanterer en mindre kornstørrelse et sejere og mere slagfast materiale, hvilket faktisk er den egenskab, vi har brug for. Mindre korn kræver kobolt for at opnå den fine kornstruktur og materialets styrke.
Kobolt reagerer dog med aluminium ved høje temperaturer og danner en ophobet aluminiumkant på værktøjets overflade. Nøglen er at bruge et hårdmetalværktøj med den rette mængde kobolt (2-20%) for at minimere denne reaktion, samtidig med at den nødvendige styrke opretholdes. Hårdmetalværktøjer er typisk bedre i stand til at modstå de høje hastigheder, der er forbundet med CNC-bearbejdning af aluminium.
Ud over værktøjsmaterialet er værktøjsbelægning en vigtig faktor for værktøjets skæreeffektivitet. ZrN (zirconiumnitrid), TiB2 (titaniumdiborid) og diamantlignende belægninger er nogle egnede belægninger til værktøjer, der anvendes i CNC-bearbejdning af aluminium.
Foder og hastigheder
Skærehastighed er den hastighed, hvormed skæreværktøjet roterer. Aluminium kan modstå meget høje skærehastigheder, derfor afhænger skærehastigheden for aluminiumlegeringer af begrænsningerne for den anvendte maskine. Hastigheden bør være så høj som praktisk muligt ved CNC-bearbejdning af aluminium, da dette reducerer muligheden for dannelse af ophobede kanter, sparer tid, minimerer temperaturstigning i emnet, forbedrer spånbrud og forbedrer finishen. Den nøjagtige hastighed, der anvendes, varierer afhængigt af aluminiumlegeringen og værktøjets diameter.
Tilspændingshastigheden er den afstand, emnet eller værktøjet bevæger sig pr. omdrejning af værktøjet. Den anvendte tilspænding afhænger af den ønskede finish, emnets styrke og stivhed. Grove snit kræver en tilspænding på 0.15 til 2.03 mm/omdr., mens sletsnit kræver en tilspænding på 0.05 til 0.15 mm/omdr.
Skærevæske
Trods dens bearbejdelighed må aluminium aldrig skæres tørt, da dette fremmer dannelsen af ophobede kanter. De passende skærevæsker til CNC-bearbejdning af aluminium er opløselige olieemulsioner og mineralolier. Undgå skærevæsker, der indeholder klor eller aktivt svovl, da disse elementer pletter aluminium.
Efterbearbejdningsprocesser
Efter bearbejdning af en aluminiumsdel er der visse processer, du kan udføre for at forbedre delens fysiske, mekaniske og æstetiske egenskaber. De mest udbredte processer er som følger.
Perle- og sandblæsning
Glasblæsning er en efterbehandlingsproces med æstetiske formål. I denne proces blæses den bearbejdede del med små glasperler ved hjælp af en højtryksluftpistol, hvilket effektivt fjerner materiale og sikrer en glat overflade. Det giver aluminium en satin- eller mat finish. De vigtigste procesparametre for glasblæsning er størrelsen på glasperlerne og mængden af lufttryk, der anvendes. Brug kun denne proces, når en dels dimensionstolerancer ikke er kritiske.
Andre efterbehandlingsprocesser omfatter polering og maling.
Coating
Dette indebærer at belægge en aluminiumsdel med et andet materiale såsom zink, nikkel og krom. Dette gøres for at forbedre delprocesserne og kan opnås gennem elektrokemiske processer.
Anodisering
Anodisering er en elektrokemisk proces, hvor en aluminiumsdel dyppes i en opløsning af fortyndet svovlsyre, og en elektrisk spænding påføres over katoden og anoden. Denne proces omdanner effektivt delens eksponerede overflader til en hård, elektrisk ikke-reaktiv aluminiumoxidbelægning. Densiteten og tykkelsen af den dannede belægning afhænger af opløsningens konsistens, anodiseringstiden og den elektriske strøm. Du kan også udføre anodisering for at farve en del.
Pulver Coating
Pulverlakeringsprocessen involverer at belægge en del med farvet polymerpulver ved hjælp af en elektrostatisk sprøjtepistol. Delen hærder derefter ved en temperatur på 200 °C. Pulverlakering forbedrer styrken og modstandsdygtigheden over for slid, korrosion og slag.
Varmebehandling
Dele fremstillet af varmebehandlelige aluminiumlegeringer kan undergå varmebehandling for at forbedre deres mekaniske egenskaber.
Anvendelser af CNC-bearbejdede aluminiumsdele i industrien
Som tidligere nævnt har aluminiumlegeringer en række ønskelige egenskaber. Derfor er CNC-bearbejdede aluminiumsdele uundværlige i adskillige industrier, herunder følgende:
- LuftfartPå grund af dets høje styrke-til-vægt-forhold er adskillige flybeslag fremstillet af maskinbearbejdet aluminium;
- AutomotiveLigesom i luftfartsindustrien er adskillige dele, såsom aksler og andre komponenter i bilindustrien, fremstillet af aluminium;
- ElektriskCNC-bearbejdede aluminiumsdele har høj elektrisk ledningsevne og bruges ofte som elektroniske komponenter i elektriske apparater;
- Fødevarer/medicinFordi de ikke reagerer med de fleste organiske stoffer, spiller aluminiumsdele en vigtig rolle i fødevare- og medicinalindustrien.
- SportAluminium bruges ofte til at fremstille sportsudstyr såsom baseballbat og sportsfløjter;
- CryogenicsAluminiums evne til at bevare sine mekaniske egenskaber ved temperaturer under frysepunktet gør aluminiumsdele attraktive til kryogene anvendelser.