Alumiini CNC-työstömateriaaleille
Alumiini on yksi nykyään eniten työstettävistä materiaaleista. Itse asiassa alumiinin CNC-työstöprosessit ovat toiseksi yleisimpiä teräksen jälkeen suoritustiheyden suhteen. Tämä johtuu pääasiassa sen erinomaisesta työstettävyydestä.
Puhtaimmassa muodossaan alumiini on pehmeää, sitkeää, ei-magneettista ja ulkonäöltään hopeanvalkoista. Alkuainetta ei kuitenkaan käytetä ainoastaan puhtaassa muodossaan. Alumiinia seostetaan yleensä erilaisten alkuaineiden, kuten mangaanin, kuparin ja magnesiumin, kanssa, jolloin muodostuu satoja alumiiniseoksia, joilla on merkittävästi parannettuja ominaisuuksia.
Tässä artikkelissa tarkastellaan alumiinin ja sen seosten CNC-työstössä käytettävien prosesseja, työkaluja, parametreja ja haasteita. Siinä käsitellään myös alumiinin, CNC-työstössä käytettyjen suosituimpien seosten, ominaisuuksia sekä alumiinin sovelluksia eri teollisuudenaloilla.
työstettävyys
Alumiinia on helppo muovata, työstää ja koneistaa useilla eri prosesseilla. Se on nopeasti ja helposti työstettävissä työstökoneilla, koska se on pehmeää ja lohkeaa helposti. Se on myös halvempaa ja vaatii vähemmän tehoa työstöön kuin teräs. Nämä ominaisuudet ovat valtavia etuja sekä koneistajalle että tilaajalle. Lisäksi alumiinin hyvä työstettävyys tarkoittaa, että se muuttaa muotoaan vähemmän työstön aikana. Tämä johtaa suurempaan tarkkuuteen, koska se mahdollistaa CNC-koneiden korkeammat toleranssit.
Voiman ja painon suhde
Alumiinin tiheys on noin kolmannes teräksen tiheydestä. Tämä tekee siitä suhteellisen kevyttä. Keveydestään huolimatta alumiinilla on erittäin korkea lujuus. Tätä lujuuden ja keveyden yhdistelmää kuvataan materiaalien lujuus-painosuhteena. Alumiinin korkea lujuus-painosuhde tekee siitä edullisen useilla teollisuudenaloilla, kuten auto- ja ilmailuteollisuudessa, tarvittaville osille.
Korroosionkestävyys
Alumiini on naarmuuntumaton ja korroosionkestävä yleisissä meri- ja ilmasto-olosuhteissa. Voit parantaa näitä ominaisuuksia anodisoimalla. On tärkeää huomata, että korroosionkestävyys vaihtelee eri alumiinilaatujen välillä. Yleisimmin CNC-koneistetuilla laaduilla on kuitenkin paras kestävyys.
Suorituskyky matalissa lämpötiloissa
Useimmat materiaalit menettävät joitakin toivottuja ominaisuuksiaan pakkaslämpötiloissa. Esimerkiksi sekä hiiliteräkset että kumi haurastuvat matalissa lämpötiloissa. Alumiini puolestaan säilyttää pehmeytensä, sitkeytensä ja lujuutensa erittäin matalissa lämpötiloissa.
Sähkönjohtavuus
Puhtaan alumiinin sähkönjohtavuus on noin 37.7 miljoonaa siemensiä metriä kohden huoneenlämmössä. Vaikka alumiiniseosten johtavuus voi olla alhaisempi kuin puhtaan alumiinin, ne ovat riittävän johtavia, jotta niiden osia voidaan käyttää sähkökomponenteissa. Toisaalta alumiini ei olisi sopiva materiaali, jos sähkönjohtavuus ei ole koneistetun osan toivottu ominaisuus.
kierrätettävyys
Koska kyseessä on vähentävä valmistusprosessi, CNC-työstöprosessit tuottavat suuren määrän lastuja, jotka ovat jätettä. Alumiini on erittäin kierrätettävää, mikä tarkoittaa, että sen kierrätys vaatii suhteellisen vähän energiaa, vaivaa ja kustannuksia. Tämä tekee siitä edullisemman niille, jotka haluavat saada takaisin menot tai vähentää materiaalihävikkiä. Se tekee alumiinista myös ympäristöystävällisemmän materiaalin työstää.
Anodisointipotentiaali
Anodisointi, joka on pinnan viimeistelymenetelmä, joka lisää materiaalin kulumis- ja korroosionkestävyyttä, on helppo saavuttaa alumiinissa. Tämä prosessi helpottaa myös koneistettujen alumiiniosien värjäämistä.
Suositut alumiiniseokset CNC-koneistukseen
Kokemuksemme Xometrylla perusteella seuraavat viisi alumiinilaatua ovat CNC-työstössä yleisimmin käytettyjä.
FI AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Tässä alumiiniseoksessa kupari on sen pääasiallinen seosaine (4-5 %). Se on lyhytlastuinen seos, joka on kestävä, kevyt, erittäin toimiva ja jolla on samat korkeat mekaaniset ominaisuudet kuin AW 2030:lla. Se soveltuu myös kierteitykseen, lämpökäsittelyyn ja suurnopeuskoneistukseen. Kaikki nämä ominaisuudet tekevät EN AW 2007:stä laajalti käytetyn koneenosien, pulttien, niittien, muttereiden, ruuvien ja kierretankojen valmistuksessa. Tällä alumiinilaadulla on kuitenkin heikko hitsattavuus ja heikko korroosionkestävyys, joten on suositeltavaa suorittaa suojaava anodisointi osien koneistuksen jälkeen.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.3547; Seos 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 on tunnettu erinomaisesta suorituskyvystään vaativissa olosuhteissa. Se sisältää magnesiumia ja pieniä määriä kromia ja mangaania. Tällä laadulla on erittäin korkea korroosionkestävyys sekä kemiallisissa että meriympäristöissä. Kaikista ei-lämpökäsiteltävistä seoksista AW 5080:lla on suurin lujuus; ominaisuus, jonka se säilyttää myös hitsauksen jälkeen. Vaikka tätä seosta ei tule käyttää yli 65 °C:n lämpötiloissa, se soveltuu erinomaisesti matalissa lämpötiloissa.
Monien toivottujen ominaisuuksiensa ansiosta AW 5080:aa käytetään lukuisissa sovelluksissa, kuten kryogeenisissä laitteissa, merisovelluksissa, painelaitteissa, kemianteollisuudessa, hitsatuissa rakenteissa ja ajoneuvojen koreissa.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.3535; Seos 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Koska AW 5754 on taottu alumiini-magnesiumseos, jossa on korkein alumiiniprosentti, sitä voidaan valssata, taota ja puristaa. Se ei myöskään ole lämpökäsiteltävä ja sitä voidaan kylmämuokata lujuuden lisäämiseksi, mutta sen sitkeys on alhaisempi. Lisäksi tällä seoksella on erinomainen korroosionkestävyys ja korkea lujuus. Näiden ominaisuuksien perusteella on ymmärrettävää, että AW 5754 on yksi suosituimmista CNC-koneistetuista alumiinilaaduista. Sitä käytetään tyypillisesti hitsatuissa rakenteissa, lattiapäällysteissä, kalastusvälineissä, ajoneuvojen koreissa, elintarvikkeiden jalostuksessa ja niiteissä.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Tämä on magnesiumia ja piitä sisältävä taottu alumiiniseos. Se on lämpökäsiteltävä ja sillä on keskimääräinen lujuus, hyvä hitsattavuus ja hyvä muovattavuus. Se on myös erittäin korroosionkestävä; ominaisuus, jota voidaan parantaa entisestään anodisoimalla. EN AW 6060 -metallia käytetään usein rakentamisessa, elintarvikkeiden jalostuksessa, lääketieteellisissä laitteissa ja autoteollisuudessa.
FI AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Sinkki on tämän alumiinilaadun ensisijainen seosaine. Vaikka EN AW 7075 -alumiinilla on keskimääräinen työstettävyys, huonot kylmämuovattavuusominaisuudet eikä se sovellu sekä hitsaukseen että juottamiseen, sillä on korkea lujuus-tiheyssuhde, erinomainen kestävyys ilmakehä- ja meriympäristöissä ja lujuus verrattavissa joihinkin terässeoksiin. Tätä seosta käytetään hyvin monenlaisissa sovelluksissa, kuten riippuliito- ja polkupyörän rungoissa, kalliokiipeilyvarusteissa, aseissa ja muottityökalujen valmistuksessa.
FI AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Tämä seos sisältää magnesiumia ja piitä pääasiallisina seosaineina ja pieniä määriä kuparia. Vetolujuutensa ansiosta 180 MPa tämä on erittäin luja seos ja sopii erittäin hyvin erittäin kuormitettuihin rakenteisiin, kuten telineisiin, rautatievaunuihin, kone- ja ilmailuteollisuuden osiin.
FI AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Vaihtoehtoiset nimitykset: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Tyypillisesti valssaamalla ja suulakepuristamalla muodostetulla seoksella on keskilujuus ja erittäin hyvä hitsattavuus ja lämmönjohtavuus. Sillä on korkea jännityskorroosionkestävyys. Sen vetolujuus vaihtelee välillä 140–330 MPa. Sitä käytetään paljon offshore-rakentamisessa ja säiliöissä.
Alumiinin CNC-työstöprosessit
Alumiinia voi työstää useilla nykyään saatavilla olevilla CNC-työstöprosesseilla. Joitakin näistä prosesseista ovat seuraavat.
CNC-sorvaus
CNC-sorvauksessa työkappale pyörii, kun taas yksipisteinen leikkaustyökalu pysyy paikallaan akselinsa suuntaisesti. Koneesta riippuen joko työkappale tai leikkaustyökalu suorittaa syöttöliikettä toista vasten materiaalin poistamiseksi.
CNC-jyrsintä
CNC-jyrsintä on yleisimmin käytetty menetelmä alumiiniosien koneistuksessa. Näissä operaatioissa monipisteinen leikkaus pyörii akselinsa ympäri, kun taas työkappale pysyy paikallaan oman akselinsa ympäri. Leikkaus ja sitä seuraava materiaalinpoisto saavutetaan joko työkappaleen, leikkaustyökalun tai molempien yhdistetyn syöttöliikkeen avulla. Tämä liike voidaan suorittaa useiden akselien ympäri.
pussittamalla
Taskujyrsintänäkin tunnettu työ on CNC-jyrsintä, jossa kappaleeseen koneistetaan ontto tasku.
Facing
Tasosorvauksessa työkappaleen pintaan luodaan tasainen poikkileikkauspinta joko tasosorvauksella tai tasojyrsinnällä.
CNC-poraus
CNC-poraus on prosessi, jossa työkappaleeseen tehdään reikä. Tässä työvaiheessa tietyn kokoinen pyörivä monipisteinen leikkaustyökalu liikkuu suorassa linjassa porattavaan pintaan nähden, jolloin syntyy tehokkaasti reikä.
Työkalut alumiinin työstöön
Alumiinin CNC-työstötyökalun valintaan vaikuttaa useita tekijöitä.
Työkalun suunnittelu
Työkalugeometriassa on useita tekijöitä, jotka vaikuttavat sen tehokkuuteen alumiinin työstössä. Yksi näistä on sen urien lukumäärä. Jotta lastunpoisto ei olisi vaikeaa suurilla nopeuksilla, alumiinin CNC-työstötyökaluissa tulisi olla 2–3 uraa. Suurempi urien lukumäärä johtaa pienempiin lastulaaksoihin. Tämä aiheuttaa alumiiniseosten tuottamien suurten lastujen juuttumisen. Kun leikkausvoimat ovat pienet ja lastunpoisto on prosessin kannalta ratkaisevan tärkeää, tulisi käyttää kahta uraa. Täydellisen tasapainon saavuttamiseksi lastunpoiston ja työkalun lujuuden välillä tulisi käyttää kolmea uraa.
Helix-kulma
Kierrekulma on työkalun keskiviivan ja leikkaussärmää pitkin kulkevan suoran tangentin välinen kulma. Se on leikkaustyökalujen tärkeä ominaisuus. Vaikka suurempi kierrekulma poistaa lastut osasta nopeammin, se lisää kitkaa ja lämpöä leikkauksen aikana. Tämä voi aiheuttaa lastujen hitsautumisen työkalun pintaan alumiinin CNC-työstössä suurnopeustyöstössä. Pienempi kierrekulma puolestaan tuottaa vähemmän lämpöä, mutta ei välttämättä poista lastuja tehokkaasti. Alumiinin työstössä 35° tai 40° kierrekulma sopii rouhintaan, kun taas 45° kierrekulma on paras viimeistelyyn.
Poistokulma
Vapaakulma on toinen tärkeä tekijä työkalun moitteettoman toiminnan kannalta. Liian suuri kulma saa työkalun pureutumaan työkappaleeseen ja tärisemään. Toisaalta liian pieni kulma aiheuttaa kitkaa työkalun ja työkappaleen välille. Alumiinin CNC-työstössä parhaat vapaakulmat ovat 6° ja 10° välillä.
Työkalun materiaali
Kovametalli on ensisijainen materiaali alumiinin CNC-työstössä käytettäville leikkaustyökaluille. Koska alumiini on pehmeää lastuavaa, alumiinin leikkaustyökalussa tärkeää ei ole kovuus, vaan kyky säilyttää terävä reuna. Tämä kyky on kovametallityökaluissa, ja se riippuu kahdesta tekijästä: kovametallin raekoko ja sideainesuhde. Suurempi raekoko johtaa kovempaan materiaaliin, kun taas pienempi raekoko takaa sitkeämmän ja iskunkestävämmän materiaalin, mikä on itse asiassa tarvitsemamme ominaisuus. Pienemmät rakeet vaativat kobolttia hienorakeisen rakenteen ja materiaalin lujuuden saavuttamiseksi.
Koboltti kuitenkin reagoi alumiinin kanssa korkeissa lämpötiloissa muodostaen alumiinisärmän muodostumisen työkalun pinnalle. Tärkeintä on käyttää kovametallityökalua, jossa on oikea määrä kobolttia (2–20 %), jotta tämä reaktio voidaan minimoida ja samalla säilyttää vaadittu lujuus. Kovametallityökalut kestävät tyypillisesti alumiinin CNC-työstöön liittyviä suuria nopeuksia paremmin kuin terästyökalut.
Työkalumateriaalin lisäksi työkalun pinnoite on tärkeä tekijä työkalun leikkaustehokkuudessa. ZrN (zirkoniumnitridi), TiB2 (titaanidiboridi) ja timantin kaltaiset pinnoitteet ovat joitakin sopivia pinnoitteita alumiinin CNC-työstössä käytettäville työkaluille.
Syötteet ja nopeudet
Leikkausnopeus on nopeus, jolla leikkaustyökalu pyörii. Alumiini kestää erittäin suuria leikkausnopeuksia, joten alumiiniseosten leikkausnopeus riippuu käytettävän koneen rajoista. Nopeuden tulisi olla niin korkea kuin käytännössä on mahdollista alumiinin CNC-työstössä, koska se vähentää irtosärmien muodostumisen mahdollisuutta, säästää aikaa, minimoi osan lämpötilan nousun, parantaa lastunmurtumista ja viimeistelyä. Käytetty tarkka nopeus vaihtelee alumiiniseoksen ja työkalun halkaisijan mukaan.
Syöttönopeus on matka, jonka työkappale tai työkalu liikkuu työkalun kierrosta kohden. Käytetty syöttö riippuu halutusta viimeistelystä, työkappaleen lujuudesta ja jäykkyydestä. Karkea lastuaminen vaatii 0.15–2.03 mm/kierros syötön, kun taas viimeistelyleikkaukset vaativat 0.05–0.15 mm/kierros syötön.
Leikkausneste
Alumiinia ei saa koskaan leikata kuivana sen lastuttavuudesta huolimatta, koska se edistää irtosärmän muodostumista. Alumiinin CNC-työstöön sopivia leikkuunesteitä ovat liukoiset öljyemulsiot ja mineraaliöljyt. Vältä klooria tai aktiivista rikkiä sisältäviä leikkuunesteitä, koska nämä alkuaineet värjäävät alumiinia.
Jälkityöstöprosessit
Alumiiniosan koneistuksen jälkeen on tiettyjä prosesseja, joilla voidaan parantaa osan fyysisiä, mekaanisia ja esteettisiä ominaisuuksia. Yleisimmät prosessit ovat seuraavat.
Helmi- ja hiekkapuhallus
Lasikuulapuhdistus on esteettisistä syistä tehtävä viimeistelyprosessi. Tässä prosessissa koneistettuun osaan puhalletaan pieniä lasikuulia käyttäen korkeapaineista ilmapistoolia, mikä poistaa tehokkaasti materiaalia ja varmistaa sileän pinnan. Se antaa alumiinille satiini- tai mattapinnan. Lasikuulapuhdistuksen tärkeimmät prosessiparametrit ovat lasikuulien koko ja käytetyn ilmanpaineen määrä. Käytä tätä prosessia vain, jos osan mittatoleranssit eivät ole kriittisiä.
Muita viimeistelyprosesseja ovat kiillotus ja maalaus.
pinnoite
Tämä tarkoittaa alumiiniosan pinnoittamista toisella materiaalilla, kuten sinkillä, nikkelillä ja kromilla. Tämä tehdään osien valmistusprosessien parantamiseksi, ja se voidaan saavuttaa sähkökemiallisilla prosesseilla.
Anodisointi
Anodisointi on sähkökemiallinen prosessi, jossa alumiiniosa upotetaan laimennettuun rikkihappoliuokseen ja katodin ja anodin välille kohdistetaan sähköjännite. Tämä prosessi muuntaa osan paljaat pinnat tehokkaasti kovaksi, sähköisesti reagoimattomaksi alumiinioksidipinnoitteeksi. Muodostuneen pinnoitteen tiheys ja paksuus riippuvat liuoksen sakeudesta, anodisointiajasta ja sähkövirrasta. Voit myös suorittaa anodisoinnin värjätäksesi osan.
Tomukuorrute
Jauhemaalausprosessissa osa päällystetään värillisellä polymeerijauheella sähköstaattista ruiskupistoolia käyttäen. Osa kovetetaan sitten 200 °C:n lämpötilassa. Jauhemaalaus parantaa lujuutta ja kestävyyttä kulumista, korroosiota ja iskuja vastaan.
Lämpökäsittely
Lämpökäsiteltävistä alumiiniseoksista valmistetut osat voidaan lämpökäsitellä niiden mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi.
CNC-koneistettujen alumiiniosien sovellukset teollisuudessa
Kuten aiemmin todettiin, alumiiniseoksilla on useita toivottavia ominaisuuksia. Siksi CNC-koneistetut alumiiniosat ovat välttämättömiä useilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien seuraavat:
- AerospaceKorkean lujuus-painosuhteensa vuoksi useat lentokoneiden osat on valmistettu koneistetusta alumiinista;
- AutomotiveAvaruusteollisuudessa useat osat, kuten akselit ja muut autoteollisuuden komponentit, valmistetaan alumiinista.
- Sähkö-CNC-koneistettuja alumiiniosia käytetään usein elektroniikkakomponentteina sähkölaitteissa, koska niillä on korkea sähkönjohtavuus.
- Ruoka/farmaseuttinenKoska alumiiniosat eivät reagoi useimpien orgaanisten aineiden kanssa, niillä on tärkeä rooli elintarvike- ja lääketeollisuudessa.
- Urheilualumiinia käytetään usein urheiluvälineiden, kuten baseball-mailojen ja urheilupillien, valmistukseen;
- kryogeniikkaAlumiinin kyky säilyttää mekaaniset ominaisuutensa pakkasen puolella lämpötiloissa tekee alumiiniosista houkuttelevia kryogeenisiin sovelluksiin.