Aluminio para materiales de mecanizado CNC
El aluminio es uno de los materiales más mecanizados disponibles en la actualidad. De hecho, los procesos de mecanizado CNC de aluminio ocupan el segundo lugar, después del acero, en cuanto a frecuencia de ejecución. Esto se debe principalmente a su excelente maquinabilidad.
En su forma más pura, el elemento químico aluminio es blando, dúctil, no magnético y de aspecto blanco plateado. Sin embargo, no solo se utiliza en estado puro. El aluminio suele alearse con diversos elementos como el manganeso, el cobre y el magnesio para formar cientos de aleaciones de aluminio con propiedades significativamente mejoradas.
Este artículo explora los procesos, herramientas, parámetros y desafíos del mecanizado CNC de aluminio y sus aleaciones. También analiza las propiedades del aluminio, las aleaciones más utilizadas en el mecanizado CNC, así como sus aplicaciones en diversas industrias.
maquinabilidad
El aluminio se forma, trabaja y mecaniza fácilmente mediante diversos procesos. Se puede cortar rápida y fácilmente con máquinas herramienta gracias a su suavidad y facilidad de astillado. Además, es más económico y requiere menos energía para mecanizar que el acero. Estas características suponen una gran ventaja tanto para el maquinista como para el cliente que encarga la pieza. Además, su buena maquinabilidad implica una menor deformación durante el mecanizado. Esto se traduce en una mayor precisión, ya que permite a las máquinas CNC alcanzar mayores tolerancias.
Relación fuerza-peso
El aluminio tiene aproximadamente un tercio de la densidad del acero, lo que lo hace relativamente ligero. A pesar de su ligereza, el aluminio posee una resistencia muy alta. Esta combinación de resistencia y ligereza se conoce como la relación resistencia-peso de los materiales. Esta alta relación resistencia-peso del aluminio lo hace ideal para piezas requeridas en diversas industrias, como la automotriz y la aeroespacial.
Resistencia a la Corrosión:
El aluminio es resistente a los arañazos y a la corrosión en condiciones marinas y atmosféricas comunes. Estas propiedades se pueden mejorar mediante el anodizado. Es importante tener en cuenta que la resistencia a la corrosión varía según el grado de aluminio. Sin embargo, los grados mecanizados con CNC más habituales son los que ofrecen la mayor resistencia.
Rendimiento a bajas temperaturas
La mayoría de los materiales tienden a perder algunas de sus propiedades deseables a temperaturas bajo cero. Por ejemplo, tanto los aceros al carbono como el caucho se vuelven frágiles a bajas temperaturas. El aluminio, a su vez, conserva su suavidad, ductilidad y resistencia a temperaturas muy bajas.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica del aluminio puro es de aproximadamente 37.7 millones de siemens por metro a temperatura ambiente. Aunque las aleaciones de aluminio pueden tener conductividades inferiores a las del aluminio puro, son lo suficientemente conductivas como para que sus piezas se utilicen en componentes eléctricos. Por otro lado, el aluminio no sería un material adecuado si la conductividad eléctrica no es una característica deseable de una pieza mecanizada.
Reciclabilidad
Al ser un proceso de fabricación sustractivo, los procesos de mecanizado CNC generan una gran cantidad de virutas, que son materiales de desecho. El aluminio es altamente reciclable, lo que significa que requiere relativamente poca energía, esfuerzo y coste para reciclarlo. Esto lo hace preferible para quienes desean recuperar la inversión o reducir el desperdicio de material. Además, convierte al aluminio en un material más ecológico para mecanizar.
Potencial de anodización
La anodización, un procedimiento de acabado superficial que aumenta la resistencia al desgaste y a la corrosión de un material, es fácil de lograr en el aluminio. Este proceso también facilita la coloración de las piezas mecanizadas de aluminio.
Aleaciones de aluminio populares para mecanizado CNC
Según nuestra experiencia en Xometry, los siguientes 5 grados de aluminio son uno de los más utilizados para el mecanizado CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Designaciones alternativas: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Esta aleación de aluminio tiene como principal elemento de aleación el cobre (4-5%). Es una aleación de viruta corta, duradera, ligera, altamente funcional y con las mismas altas propiedades mecánicas que la AW 2030. También es adecuada para roscado, tratamiento térmico y mecanizado de alta velocidad. Todas estas propiedades hacen que la EN AW 2007 se utilice ampliamente en la producción de piezas de maquinaria, pernos, remaches, tuercas, tornillos y barras roscadas. Sin embargo, este grado de aluminio presenta baja soldabilidad y baja resistencia a la corrosión, por lo que se recomienda realizar un anodizado protector después del mecanizado de la pieza.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Designaciones alternativas: 3.3547; Aleación 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
La AW 5083 es reconocida por su excelente rendimiento en entornos severos. Contiene magnesio y pequeñas trazas de cromo y manganeso. Este grado ofrece una alta resistencia a la corrosión tanto en entornos químicos como marinos. De todas las aleaciones no tratables térmicamente, la AW 5080 presenta la mayor resistencia, una propiedad que conserva incluso después de la soldadura. Si bien esta aleación no debe utilizarse en aplicaciones con temperaturas superiores a 65 °C, destaca en aplicaciones a baja temperatura.
Debido a su conjunto de propiedades deseables, AW 5080 se utiliza en numerosas aplicaciones, incluidos equipos criogénicos, aplicaciones marinas, equipos de presión, aplicaciones químicas, construcciones soldadas y carrocerías de vehículos.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Designaciones alternativas: 3.3535; Aleación 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Al ser una aleación de aluminio y magnesio forjado con el mayor porcentaje de aluminio, el AW 5754 se puede laminar, forjar y extruir. Además, no es tratable térmicamente y puede trabajarse en frío para aumentar su resistencia, aunque presenta una menor ductilidad. Además, esta aleación presenta una excelente resistencia a la corrosión y una alta resistencia. Considerando estas propiedades, es comprensible que el AW 5754 sea uno de los grados de aluminio mecanizados por CNC más populares. Se utiliza habitualmente en estructuras soldadas, aplicaciones de suelos, equipos de pesca, carrocerías de vehículos, procesamiento de alimentos y remaches.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Designaciones alternativas: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Se trata de una aleación de aluminio forjado con magnesio y silicio. Es termotratable y presenta una resistencia media, buena soldabilidad y buena conformabilidad. Además, presenta una alta resistencia a la corrosión, una propiedad que puede mejorarse aún más mediante el anodizado. La norma EN AW 6060 se utiliza frecuentemente en la construcción, el procesamiento de alimentos, los equipos médicos y la ingeniería automotriz.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Designaciones alternativas: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
El zinc es el principal elemento de aleación en este grado de aluminio. Si bien la aleación EN AW 7075 presenta una maquinabilidad media, malas propiedades de conformado en frío y no es apta tanto para soldadura como para soldadura blanda, presenta una alta relación resistencia-densidad, excelente resistencia a ambientes atmosféricos y marinos, y una resistencia comparable a la de algunas aleaciones de acero. Esta aleación se emplea en una amplia gama de aplicaciones, como cuadros de ala delta y bicicletas, equipos de escalada, armamento y fabricación de moldes.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Designaciones alternativas: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Esta aleación contiene magnesio y silicio como principales elementos de aleación, con trazas de cobre. Con una resistencia a la tracción de 180 MPa, es una aleación de alta resistencia, ideal para estructuras sometidas a altas cargas, como andamios, vagones de ferrocarril, maquinaria y piezas aeroespaciales.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Designaciones alternativas: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Esta aleación, típicamente formada por laminación y extrusión, presenta una resistencia media con muy buena soldabilidad y conductividad térmica. Presenta una alta resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Su resistencia a la tracción oscila entre 140 y 330 MPa. Se emplea ampliamente en la construcción de plataformas marinas y en la industria de contenedores.
Procesos de mecanizado CNC de aluminio
El aluminio se puede mecanizar mediante diversos procesos de mecanizado CNC disponibles en la actualidad. Algunos de estos procesos son los siguientes:
Torneado CNC
En las operaciones de torneado CNC, la pieza gira mientras la herramienta de corte permanece fija a lo largo de su eje. Dependiendo de la máquina, la pieza o la herramienta de corte se mueven mutuamente para arrancar el material.
CNC fresado
Las operaciones de fresado CNC son las más utilizadas en el mecanizado de piezas de aluminio. Estas operaciones implican la rotación de un corte multipunto a lo largo de su eje, mientras la pieza permanece estacionaria sobre su propio eje. El corte y la posterior eliminación de material se logran mediante el movimiento de avance de la pieza, la herramienta de corte o ambos combinados. Este movimiento puede realizarse a lo largo de múltiples ejes.
Embolsar
También conocido como fresado de bolsillos, el fresado de bolsillos es una forma de fresado CNC en el que se mecaniza un bolsillo hueco en una pieza.
Frente a
El refrentado en el mecanizado implica la creación de un área transversal plana en la superficie de una pieza de trabajo mediante torneado o fresado frontal.
Perforación CNC
El taladrado CNC es el proceso de realizar un agujero en una pieza de trabajo. En esta operación, una herramienta de corte giratoria multipunta de un tamaño específico se mueve en línea recta perpendicular a la superficie a taladrar, creando así un agujero.
Herramientas para el mecanizado de aluminio
Hay varios factores que influyen en la selección de una herramienta para el mecanizado CNC de aluminio.
Diseño de herramientas
Existen diferentes aspectos de la geometría de una herramienta que contribuyen a su eficiencia en el mecanizado de aluminio. Uno de ellos es el número de flautas. Para evitar dificultades en la evacuación de la viruta a altas velocidades, las herramientas de corte para el mecanizado CNC de aluminio deben tener de 2 a 3 flautas. Un mayor número de flautas produce valles de viruta más pequeños. Esto provoca que las virutas grandes producidas por las aleaciones de aluminio se atasquen. Cuando las fuerzas de corte son bajas y la holgura de la viruta es fundamental para el proceso, se recomienda utilizar 2 flautas. Para un equilibrio perfecto entre la holgura de la viruta y la resistencia de la herramienta, utilice 3 flautas.
Ángulo de hélice
El ángulo de hélice es el ángulo entre la línea central de una herramienta y una línea recta tangente al filo. Es una característica importante de las herramientas de corte. Si bien un ángulo de hélice más alto elimina las virutas de una pieza con mayor rapidez, aumenta la fricción y el calor durante el corte. Esto puede provocar que las virutas se suelden a la superficie de la herramienta durante el mecanizado CNC de aluminio a alta velocidad. Por otro lado, un ángulo de hélice más bajo produce menos calor, pero podría no eliminar las virutas eficazmente. Para el mecanizado de aluminio, un ángulo de hélice de 35° o 40° es adecuado para aplicaciones de desbaste, mientras que un ángulo de hélice de 45° es el mejor para el acabado.
Ángulo de espacio libre
El ángulo de incidencia es otro factor importante para el correcto funcionamiento de una herramienta. Un ángulo demasiado grande provocaría que la herramienta se clavara en la pieza y vibrara. Por otro lado, un ángulo demasiado pequeño causaría fricción entre la herramienta y la pieza. Los ángulos de incidencia entre 6° y 10° son los más adecuados para el mecanizado CNC de aluminio.
Material de la herramienta
El carburo es el material preferido para las herramientas de corte utilizadas en el mecanizado CNC de aluminio. Dado que el aluminio es un material de corte suave, lo importante en una herramienta de corte para aluminio no es la dureza, sino la capacidad de mantener un filo afilado. Esta capacidad, presente en las herramientas de carburo, depende de dos factores: el tamaño del grano de carburo y la proporción de aglutinante. Mientras que un tamaño de grano mayor da como resultado un material más duro, un tamaño de grano menor garantiza un material más tenaz y resistente al impacto, que es precisamente la propiedad que necesitamos. Los granos más pequeños requieren cobalto para lograr la estructura de grano fino y la resistencia del material.
Sin embargo, el cobalto reacciona con el aluminio a altas temperaturas, formando un borde de aluminio en la superficie de la herramienta. La clave está en utilizar una herramienta de carburo con la cantidad adecuada de cobalto (2-20 %) para minimizar esta reacción y mantener la resistencia requerida. Las herramientas de carburo suelen resistir mejor que las herramientas de acero las altas velocidades asociadas al mecanizado CNC de aluminio.
Además del material de la herramienta, el recubrimiento es un factor importante en su eficiencia de corte. El ZrN (nitruro de circonio), el TiB₂ (diboruro de titanio) y los recubrimientos tipo diamante son adecuados para las herramientas utilizadas en el mecanizado CNC de aluminio.
Avances y velocidades
La velocidad de corte es la velocidad a la que gira la herramienta de corte. El aluminio puede soportar velocidades de corte muy altas, por lo que la velocidad de corte para aleaciones de aluminio depende de las limitaciones de la máquina utilizada. La velocidad debe ser la más alta posible en el mecanizado CNC de aluminio, ya que esto reduce la posibilidad de formación de recrecimientos, ahorra tiempo, minimiza el aumento de temperatura en la pieza, mejora la rotura de viruta y mejora el acabado. La velocidad exacta utilizada varía según la aleación de aluminio y el diámetro de la herramienta.
La velocidad de avance es la distancia que recorre la pieza o herramienta por revolución. El avance utilizado depende del acabado deseado, la resistencia y la rigidez de la pieza. Los cortes de desbaste requieren un avance de 0.15 a 2.03 mm/rev, mientras que los cortes de acabado requieren un avance de 0.05 a 0.15 mm/rev.
Fluido de corte
A pesar de su maquinabilidad, nunca corte aluminio en seco, ya que esto favorece la formación de recrecimientos en los bordes. Los fluidos de corte adecuados para el mecanizado CNC de aluminio son las emulsiones de aceite soluble y los aceites minerales. Evite los fluidos de corte que contengan cloro o azufre activo, ya que estos elementos manchan el aluminio.
Procesos post-mecanizado
Tras mecanizar una pieza de aluminio, existen ciertos procesos que se pueden llevar a cabo para mejorar sus características físicas, mecánicas y estéticas. Los procesos más comunes son los siguientes.
Granallado con microesferas de arena
El granallado es un proceso de acabado con fines estéticos. En este proceso, la pieza mecanizada se granalla con microesferas de vidrio mediante una pistola de aire a alta presión, eliminando eficazmente el material y garantizando una superficie lisa. Proporciona al aluminio un acabado satinado o mate. Los principales parámetros del proceso de granallado son el tamaño de las microesferas de vidrio y la presión de aire utilizada. Utilice este proceso solo cuando las tolerancias dimensionales de la pieza no sean críticas.
Otros procesos de acabado incluyen pulido y pintura.
Recubrimiento Gray Diamond Seal®
Esto implica recubrir una pieza de aluminio con otro material, como zinc, níquel o cromo. Esto se hace para mejorar los procesos de las piezas y puede lograrse mediante procesos electroquímicos.
Anodizado
El anodizado es un proceso electroquímico en el que una pieza de aluminio se sumerge en una solución de ácido sulfúrico diluido y se aplica una tensión eléctrica al cátodo y al ánodo. Este proceso transforma eficazmente las superficies expuestas de la pieza en una capa de óxido de aluminio dura y no reactiva eléctricamente. La densidad y el espesor de la capa resultante dependen de la consistencia de la solución, el tiempo de anodizado y la corriente eléctrica. También se puede anodizar para colorear una pieza.
Pintura en Polvo
El proceso de recubrimiento en polvo consiste en recubrir una pieza con polvo polimérico de color mediante una pistola de pulverización electrostática. Posteriormente, la pieza se deja curar a una temperatura de 200 °C. El recubrimiento en polvo mejora la resistencia y la resistencia al desgaste, la corrosión y los impactos.
Tratamiento térmico
Las piezas fabricadas con aleaciones de aluminio tratables térmicamente pueden someterse a un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades mecánicas.
Aplicaciones de piezas de aluminio mecanizadas por CNC en la industria
Como se mencionó anteriormente, las aleaciones de aluminio poseen diversas propiedades deseables. Por lo tanto, las piezas de aluminio mecanizadas por CNC son indispensables en diversas industrias, entre ellas:
- Aeroespacial:Debido a su alta relación resistencia-peso, varios accesorios de aeronaves están hechos de aluminio mecanizado;
- Motorium:De manera similar a la industria aeroespacial, varias piezas como ejes y otros componentes de la industria automotriz están hechos de aluminio;
- Sistema eléctrico:Al tener altas conductividades eléctricas, las piezas de aluminio mecanizadas por CNC se utilizan a menudo como componentes electrónicos en electrodomésticos;
- Alimentos / Farmacéuticos:Debido a que no reaccionan con la mayoría de las sustancias orgánicas, las piezas de aluminio desempeñan un papel importante en las industrias alimentaria y farmacéutica;
- Deportes:El aluminio se utiliza a menudo para fabricar equipos deportivos como bates de béisbol y silbatos deportivos;
- Criogenia:La capacidad del aluminio para conservar sus propiedades mecánicas a temperaturas bajo cero hace que las piezas de aluminio sean deseables para aplicaciones criogénicas.