آلومینیوم برای مواد ماشینکاری CNC
آلومینیوم یکی از موادی است که امروزه بیشترین میزان ماشینکاری روی آن انجام میشود. در واقع، فرآیندهای ماشینکاری CNC آلومینیوم از نظر فراوانی اجرا، پس از فولاد در رتبه دوم قرار دارند. این امر عمدتاً به دلیل قابلیت ماشینکاری عالی آن است.
عنصر شیمیایی آلومینیوم در خالصترین شکل خود، نرم، انعطافپذیر، غیرمغناطیسی و از نظر ظاهری سفید-نقرهای است. با این حال، این عنصر فقط به شکل خالص استفاده نمیشود. آلومینیوم معمولاً با عناصر مختلفی مانند منگنز، مس و منیزیم آلیاژ میشود تا صدها آلیاژ آلومینیوم با خواص مختلف و بهبود یافته تشکیل شود.
این مقاله به بررسی فرآیندها، ابزارها، پارامترها و چالشهای موجود در ماشینکاری CNC آلومینیوم و آلیاژهای آن میپردازد. همچنین در مورد خواص آلومینیوم، محبوبترین آلیاژهای مورد استفاده در ماشینکاری CNC، و همچنین کاربرد آلومینیوم در صنایع مختلف بحث میکند.
ماشین کاری
آلومینیوم به راحتی با استفاده از فرآیندهای مختلف شکلدهی، کار و ماشینکاری میشود. به دلیل نرم بودن و برادهبرداری آسان، میتوان آن را به سرعت و به راحتی توسط ماشینآلات برش داد. همچنین نسبت به فولاد ارزانتر است و به نیروی کمتری برای ماشینکاری نیاز دارد. این ویژگیها مزایای زیادی هم برای ماشینکار و هم برای مشتری سفارشدهنده قطعه دارد. علاوه بر این، قابلیت ماشینکاری خوب آلومینیوم به این معنی است که در حین ماشینکاری کمتر تغییر شکل میدهد. این امر منجر به دقت بالاتر میشود زیرا به ماشینهای CNC اجازه میدهد تا به تلرانسهای بالاتری دست یابند.
نسبت قدرت به وزن
چگالی آلومینیوم حدود یک سوم فولاد است. این باعث میشود که نسبتاً سبک باشد. با وجود سبکی، آلومینیوم استحکام بسیار بالایی دارد. این ترکیب استحکام و وزن سبک به عنوان نسبت استحکام به وزن مواد توصیف میشود. نسبت استحکام به وزن بالای آلومینیوم، آن را برای قطعات مورد نیاز در صنایع مختلف مانند صنایع خودرو و هوافضا مطلوب میکند.
مقاومت در برابر خوردگی
آلومینیوم در شرایط دریایی و جوی معمول، مقاوم در برابر خراش و خوردگی است. میتوانید این خواص را با آنودایز کردن افزایش دهید. توجه به این نکته مهم است که مقاومت در برابر خوردگی در گریدهای مختلف آلومینیوم متفاوت است. با این حال، گریدهای ماشینکاری شده با CNC که معمولاً بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند، بیشترین مقاومت را دارند.
عملکرد در دماهای پایین
بیشتر مواد در دماهای زیر صفر درجه، برخی از خواص مطلوب خود را از دست میدهند. برای مثال، هم فولادهای کربنی و هم لاستیک در دماهای پایین شکننده میشوند. در مقابل، آلومینیوم نرمی، شکلپذیری و استحکام خود را در دماهای بسیار پایین حفظ میکند.
رسانایی الکتریکی
رسانایی الکتریکی آلومینیوم خالص در دمای اتاق حدود ۳۷.۷ میلیون زیمنس بر متر است. اگرچه آلیاژهای آلومینیوم ممکن است رسانایی کمتری نسبت به آلومینیوم خالص داشته باشند، اما به اندازه کافی رسانا هستند که قطعات آنها در قطعات الکتریکی استفاده شوند. از سوی دیگر، اگر رسانایی الکتریکی یک ویژگی مطلوب برای یک قطعه ماشینکاری شده نباشد، آلومینیوم ماده نامناسبی خواهد بود.
قابلیت بازیافت
از آنجایی که این یک فرآیند تولید کاهشی است، فرآیندهای ماشینکاری CNC تعداد زیادی تراشه تولید میکنند که مواد زائد هستند. آلومینیوم قابلیت بازیافت بالایی دارد، به این معنی که برای بازیافت به انرژی، تلاش و هزینه نسبتاً کمی نیاز دارد. این امر باعث میشود که برای کسانی که میخواهند هزینهها را جبران کنند یا ضایعات مواد را کاهش دهند، ترجیح داده شود. همچنین این امر آلومینیوم را به مادهای سازگارتر با محیط زیست برای ماشینکاری تبدیل میکند.
پتانسیل آنودیزاسیون
آنودایزینگ، که یک فرآیند پرداخت سطحی است که مقاومت سایشی و خوردگی ماده را افزایش میدهد، در آلومینیوم به راحتی قابل انجام است. این فرآیند همچنین افزودن رنگ به قطعات آلومینیومی ماشینکاری شده را آسانتر میکند.
آلیاژهای آلومینیومی محبوب برای ماشینکاری CNC
بر اساس تجربه ما در Xometry، 5 گرید آلومینیومی زیر یکی از پرکاربردترین گریدها برای ماشینکاری CNC هستند.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
نامگذاری های جایگزین: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
این آلیاژ آلومینیوم، عنصر آلیاژی اصلی خود را مس (۴-۵٪) تشکیل میدهد. این آلیاژ با برادههای کوتاه، بادوام، سبک، بسیار کاربردی و دارای خواص مکانیکی بالا مشابه AW 2030 است. همچنین برای رزوهکاری، عملیات حرارتی و ماشینکاری با سرعت بالا مناسب است. همه این خواص باعث میشود EN AW 2007 به طور گسترده در تولید قطعات ماشین، پیچ و مهره، پرچ، مهره و میلههای رزوهدار استفاده شود. با این حال، این گرید آلومینیوم قابلیت جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی کمی دارد. بنابراین توصیه میشود پس از ماشینکاری قطعات، آندایزینگ محافظ انجام شود.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
نامگذاری های جایگزین: ۳.۳۵۴۷؛ آلیاژ ۵۰۸۳؛ EN ۵۷۳-۳؛ UNS A3.3547؛ ASTM B5083؛ AlMg573Mn3
آلیاژ AW 5083 به دلیل عملکرد عالی در محیطهای سخت مشهور است. این آلیاژ حاوی منیزیم و مقادیر کمی کروم و منگنز است. این گرید مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی در محیطهای شیمیایی و دریایی دارد. از بین تمام آلیاژهای غیرقابل عملیات حرارتی، آلیاژ AW 5080 بالاترین استحکام را دارد؛ خاصیتی که حتی پس از جوشکاری نیز حفظ میشود. اگرچه این آلیاژ نباید در کاربردهایی با دمای بالاتر از 65 درجه سانتیگراد استفاده شود، اما در کاربردهای دمای پایین بسیار عالی عمل میکند.
با توجه به مجموعهای از خواص مطلوب، AW 5080 در کاربردهای متعددی از جمله تجهیزات برودتی، کاربردهای دریایی، تجهیزات فشار، کاربردهای شیمیایی، سازههای جوشکاری شده و بدنه خودرو مورد استفاده قرار میگیرد.
EN AW 5754 / ۳.۳۵۳۵ / آل-منیزیم۳
نامگذاری های جایگزین: ۳.۳۵۳۵؛ آلیاژ ۵۷۵۴؛ EN ۵۷۳-۳؛ U۲۱NS A۹۵۷۵۴؛ ASTM B ۲۰۹؛ Al-Mg۳.
آلیاژ AW 5754 به عنوان یک آلیاژ آلومینیوم-منیزیم چکشخوار با بالاترین درصد آلومینیوم، قابلیت نوردکاری، آهنگری و اکسترود شدن را دارد. همچنین قابل عملیات حرارتی نیست و میتوان آن را برای افزایش استحکام، اما با شکلپذیری کمتر، کار سرد کرد. علاوه بر این، این آلیاژ مقاومت عالی در برابر خوردگی و استحکام بالایی دارد. با توجه به این خواص، قابل درک است که AW 5754 یکی از محبوبترین گریدهای آلومینیوم ماشینکاری شده با CNC است. این آلیاژ معمولاً در سازههای جوش داده شده، کاربردهای کفپوش، تجهیزات ماهیگیری، بدنه وسایل نقلیه، فرآوری مواد غذایی و پرچها استفاده میشود.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
نامگذاری های جایگزین: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
این یک آلیاژ آلومینیوم کارشده حاوی منیزیم و سیلیکون است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی است و دارای استحکام متوسط، جوشپذیری خوب و شکلپذیری خوبی است. همچنین در برابر خوردگی بسیار مقاوم است؛ خاصیتی که میتواند از طریق آندایزینگ حتی بیشتر بهبود یابد. EN AW 6060 اغلب در ساخت و ساز، فرآوری مواد غذایی، تجهیزات پزشکی و مهندسی خودرو استفاده میشود.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
نامگذاری های جایگزین: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
روی عنصر آلیاژی اصلی در این گرید از آلومینیوم است. اگرچه EN AW 7075 قابلیت ماشینکاری متوسط، خواص شکلدهی سرد ضعیفی دارد و برای جوشکاری و لحیمکاری مناسب نیست، اما نسبت استحکام به چگالی بالایی دارد، مقاومت عالی در برابر محیطهای جوی و دریایی دارد و استحکام آن قابل مقایسه با برخی از آلیاژهای فولادی است. این آلیاژ در طیف بسیار گستردهای از کاربردها از جمله قابهای گلایدر و دوچرخه، تجهیزات صخرهنوردی، سلاح و ساخت ابزار قالبگیری استفاده میشود.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
نامگذاری های جایگزین: 3.3211، UNS A96061، A6061، Al-Mg1SiCu.
این آلیاژ حاوی منیزیم و سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی اصلی و مقادیر کمی مس است. با استحکام کششی ۱۸۰ مگاپاسکال، این آلیاژ استحکام بالایی دارد و برای سازههای تحت بارگذاری بالا مانند داربستها، واگنهای ریلی، قطعات ماشینآلات و هوافضا بسیار مناسب است.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
نامگذاری های جایگزین: ۳.۲۳۱۵، UNS A96082، A-SGM0،۷، Al-Si1Mg.
این آلیاژ که معمولاً با نورد و اکستروژن شکل میگیرد، دارای استحکام متوسط با قابلیت جوشکاری و رسانایی حرارتی بسیار خوب است. مقاومت بالایی در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی دارد. استحکام کششی آن بین 140 تا 330 مگاپاسکال است. این آلیاژ به طور گسترده در ساخت و سازهای دریایی و کانتینرها استفاده میشود.
فرآیندهای ماشینکاری CNC آلومینیوم
شما میتوانید آلومینیوم را با تعدادی از فرآیندهای ماشینکاری CNC که امروزه در دسترس هستند، ماشینکاری کنید. برخی از این فرآیندها به شرح زیر است.
تراش CNC
در عملیات تراشکاری CNC، قطعه کار میچرخد، در حالی که ابزار برش تک نقطهای در امتداد محور خود ثابت میماند. بسته به نوع دستگاه، قطعه کار یا ابزار برش برای دستیابی به برداشت ماده، حرکت پیشروی را در خلاف جهت یکدیگر انجام میدهند.
فرز CNC
عملیات فرزکاری CNC رایجترین عملیات مورد استفاده در ماشینکاری قطعات آلومینیومی است. این عملیات شامل چرخش یک برش چند نقطهای در امتداد محور خود است، در حالی که قطعه کار در امتداد محور خود ثابت میماند. عمل برش و متعاقباً حذف مواد با حرکت پیشروی قطعه کار، ابزار برش یا هر دوی آنها به صورت ترکیبی انجام میشود. این حرکت میتواند در امتداد چندین محور انجام شود.
جیب
فرزکاری حفرهای که با نام فرزکاری پاکتی نیز شناخته میشود، نوعی از فرزکاری CNC است که در آن یک حفره توخالی در یک قطعه ماشینکاری میشود.
روکش
روکشکاری در ماشینکاری شامل ایجاد یک سطح مقطع مسطح روی سطح قطعه کار از طریق تراشکاری سطحی یا فرزکاری سطحی است.
حفاری CNC
سوراخکاری CNC فرآیند ایجاد سوراخ در قطعه کار است. در این عملیات، یک ابزار برش چرخشی چند نقطهای با اندازه خاص در یک خط مستقیم عمود بر سطح مورد نظر برای سوراخکاری حرکت میکند و در نتیجه به طور موثر یک سوراخ ایجاد میکند.
ابزارهای ماشینکاری آلومینیوم
عوامل متعددی وجود دارد که بر انتخاب ابزار برای ماشینکاری CNC آلومینیوم تأثیر میگذارد.
طراحی ابزار
جنبههای مختلفی از هندسه ابزار وجود دارد که به کارایی آن در ماشینکاری آلومینیوم کمک میکند. یکی از این موارد، تعداد شیارهای آن است. برای جلوگیری از مشکل در تخلیه براده در سرعتهای بالا، ابزارهای برش برای ماشینکاری CNC آلومینیوم باید ۲ تا ۳ شیار داشته باشند. تعداد بیشتر شیارها منجر به ایجاد درههای تراشه کوچکتر میشود. این امر باعث میشود برادههای بزرگ تولید شده توسط آلیاژهای آلومینیوم گیر کنند. هنگامی که نیروهای برش کم هستند و فاصله بین برادهها برای فرآیند حیاتی است، باید از ۲ شیار استفاده کنید. برای تعادل کامل بین فاصله بین براده و استحکام ابزار، از ۳ شیار استفاده کنید.
زاویه مارپیچ
زاویه مارپیچ، زاویه بین خط مرکزی ابزار و خط مماس مستقیم در امتداد لبه برش است. این یک ویژگی مهم ابزارهای برش است. در حالی که زاویه مارپیچ بالاتر، برادهها را سریعتر از قطعه جدا میکند، اصطکاک و گرما را در حین برش افزایش میدهد. این امر ممکن است باعث شود که برادهها در حین ماشینکاری CNC آلومینیوم با سرعت بالا به سطح ابزار جوش بخورند. از سوی دیگر، زاویه مارپیچ پایینتر، گرمای کمتری تولید میکند اما ممکن است برادهها را به طور موثر جدا نکند. برای ماشینکاری آلومینیوم، زاویه مارپیچ ۳۵ یا ۴۰ درجه برای کاربردهای خشنکاری مناسب است، در حالی که زاویه مارپیچ ۴۵ درجه برای پرداختکاری بهترین است.
زاویه پاکسازی
زاویه لقی یکی دیگر از عوامل مهم برای عملکرد صحیح ابزار است. زاویه بیش از حد بزرگ باعث میشود ابزار در قطعه کار فرو رفته و صدا دهد. از سوی دیگر، زاویه خیلی کوچک باعث ایجاد اصطکاک بین ابزار و قطعه کار میشود. زوایای لقی بین ۶ تا ۱۰ درجه برای ماشینکاری CNC آلومینیوم بهترین هستند.
مواد ابزار
کاربید ماده ترجیحی برای ابزارهای برش مورد استفاده در ماشینکاری CNC آلومینیوم است. از آنجا که آلومینیوم برش نرمی دارد، آنچه در ابزار برش آلومینیوم مهم است سختی نیست، بلکه توانایی حفظ لبه تیز تیغ است. این توانایی در ابزارهای کاربیدی وجود دارد و به دو عامل بستگی دارد، اندازه دانه کاربید و نسبت چسب. در حالی که اندازه دانه بزرگتر منجر به ماده سخت تر می شود، اندازه دانه کوچکتر ماده ای چقرمه تر و مقاوم تر در برابر ضربه را تضمین می کند که در واقع همان خاصیتی است که ما نیاز داریم. دانه های کوچکتر برای دستیابی به ساختار دانه ریز و استحکام ماده به کبالت نیاز دارند.
با این حال، کبالت در دماهای بالا با آلومینیوم واکنش میدهد و یک لبه انباشته از آلومینیوم روی سطح ابزار تشکیل میدهد. نکته کلیدی این است که از یک ابزار کاربیدی با مقدار مناسب کبالت (2-20٪) استفاده کنید تا این واکنش به حداقل برسد و در عین حال استحکام لازم حفظ شود. ابزارهای کاربیدی معمولاً قادر به تحمل سرعتهای بالای مرتبط با ماشینکاری CNC آلومینیوم، بهتر از ابزارهای فولادی هستند.
علاوه بر جنس ابزار، پوشش ابزار نیز عامل مهمی در راندمان برش ابزار است. ZrN (نیترید زیرکونیوم)، TiB2 (دی بورید تیتانیوم) و پوششهای شبه الماس، برخی از پوششهای مناسب برای ابزارهای مورد استفاده در ماشینکاری CNC آلومینیومی هستند.
فیدها و سرعت ها
سرعت برش، سرعتی است که ابزار برش با آن میچرخد. آلومینیوم میتواند سرعت برش بسیار بالایی را تحمل کند، از این رو سرعت برش برای آلیاژهای آلومینیوم به محدودیتهای دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. سرعت باید تا حد امکان در ماشینکاری CNC آلومینیوم بالا باشد، زیرا این امر احتمال تشکیل لبههای انباشته را کاهش میدهد، در زمان صرفهجویی میکند، افزایش دما در قطعه را به حداقل میرساند، شکستگی براده را بهبود میبخشد و پرداخت نهایی را بهبود میبخشد. سرعت دقیق مورد استفاده بسته به آلیاژ آلومینیوم و قطر ابزار متفاوت است.
نرخ پیشروی، مسافتی است که قطعه کار یا ابزار در هر دور چرخش ابزار حرکت میکند. میزان پیشروی مورد استفاده به پرداخت نهایی مورد نظر، استحکام و سختی قطعه کار بستگی دارد. برشهای ناهموار به پیشروی 0.15 تا 2.03 میلیمتر بر دور نیاز دارند در حالی که برشهای پرداختکاری به پیشروی 0.05 تا 0.15 میلیمتر بر دور نیاز دارند.
مایع برش
با وجود قابلیت ماشینکاری، هرگز آلومینیوم را به صورت خشک برش ندهید زیرا این کار باعث ایجاد لبههای انباشته میشود. سیالات برش مناسب برای ماشینکاری CNC آلومینیوم، امولسیونهای روغن محلول و روغنهای معدنی هستند. از سیالات برش حاوی کلر یا گوگرد فعال خودداری کنید زیرا این عناصر آلومینیوم را لکهدار میکنند.
فرآیندهای پس از ماشینکاری
پس از ماشینکاری یک قطعه آلومینیومی، فرآیندهای خاصی وجود دارد که میتوانید برای بهبود ویژگیهای فیزیکی، مکانیکی و زیباییشناختی قطعه انجام دهید. رایجترین فرآیندها به شرح زیر است.
سندبلاست و مهره زنی
سندبلاست یک فرآیند پرداختکاری برای اهداف زیباییشناختی است. در این فرآیند، قطعه ماشینکاری شده با استفاده از یک تفنگ بادی تحت فشار بالا، با دانههای شیشهای ریز سندبلاست میشود که باعث حذف مؤثر مواد و تضمین سطح صاف میشود. این روش به آلومینیوم ظاهری براق یا مات میدهد. پارامترهای اصلی فرآیند سندبلاست، اندازه دانههای شیشهای و میزان فشار هوای مورد استفاده هستند. فقط زمانی از این فرآیند استفاده کنید که تلرانسهای ابعادی قطعه مهم نباشند.
از دیگر مراحل پرداخت میتوان به پرداخت و رنگآمیزی اشاره کرد.
پوشش
این شامل پوشش دادن یک قطعه آلومینیومی با مواد دیگری مانند روی، نیکل و کروم است. این کار برای بهبود فرآیندهای قطعات انجام میشود و ممکن است از طریق فرآیندهای الکتروشیمیایی حاصل شود.
آنودایز
آنودایزینگ یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن یک قطعه آلومینیومی در محلولی از اسید سولفوریک رقیق فرو برده میشود و یک ولتاژ الکتریکی به کاتد و آند اعمال میشود. این فرآیند به طور موثری سطوح در معرض قطعه را به یک پوشش اکسید آلومینیوم سخت و غیر واکنشی تبدیل میکند. چگالی و ضخامت پوشش ایجاد شده به غلظت محلول، زمان آنودایزینگ و جریان الکتریکی بستگی دارد. همچنین میتوانید آنودایزینگ را برای رنگآمیزی یک قطعه انجام دهید.
پودر پوشش
فرآیند پوشش پودری شامل پوشش دادن یک قطعه با پودر پلیمری رنگی با استفاده از تفنگ اسپری الکترواستاتیک است. سپس قطعه در دمای 200 درجه سانتیگراد خشک میشود. پوشش پودری استحکام و مقاومت در برابر سایش، خوردگی و ضربه را بهبود میبخشد.
حرارت درمانی
قطعات ساخته شده از آلیاژهای آلومینیوم قابل عملیات حرارتی ممکن است برای بهبود خواص مکانیکی خود تحت عملیات حرارتی قرار گیرند.
کاربردهای قطعات آلومینیومی ماشینکاری شده با CNC در صنعت
همانطور که قبلاً گفته شد، آلیاژهای آلومینیوم دارای خواص مطلوب متعددی هستند. از این رو، قطعات آلومینیومی ماشینکاری شده با CNC در صنایع مختلف از جمله موارد زیر ضروری هستند:
- هوافضابه دلیل نسبت بالای استحکام به وزن، چندین قطعه هواپیما از آلومینیوم ماشینکاری شده ساخته میشوند.
- خودرومشابه صنعت هوافضا، چندین قطعه مانند شفتها و سایر اجزا در صنعت خودرو از آلومینیوم ساخته میشوند؛
- برققطعات آلومینیومی ماشینکاری شده با CNC با داشتن رسانایی الکتریکی بالا، اغلب به عنوان قطعات الکترونیکی در لوازم برقی استفاده میشوند.
- مواد غذایی / داروییاز آنجا که قطعات آلومینیومی با اکثر مواد آلی واکنش نمیدهند، نقش مهمی در صنایع غذایی و دارویی ایفا میکنند.
- ورزش هاآلومینیوم اغلب برای ساخت تجهیزات ورزشی مانند چوب بیسبال و سوت ورزشی استفاده میشود.
- کریوژنیکتوانایی آلومینیوم در حفظ خواص مکانیکی خود در دماهای زیر صفر، قطعات آلومینیومی را برای کاربردهای برودتی مطلوب میکند.