Materiais de aluminio para mecanizado CNC
O aluminio é un dos materiais máis mecanizados dispoñibles na actualidade. De feito, os procesos de mecanizado CNC do aluminio son os segundos despois do aceiro en termos de frecuencia de execución. Isto débese principalmente á súa excelente maquinabilidade.
Na súa forma máis pura, o elemento químico aluminio é brando, dúctil, non magnético e de aspecto branco prateado. Non obstante, o elemento non só se usa na súa forma pura. O aluminio adoita aliarse con varios elementos como o manganeso, o cobre e o magnesio para formar centos de aliaxes de aluminio con diversas propiedades significativamente melloradas.
Este artigo explora os procesos, as ferramentas, os parámetros e os desafíos que implica o mecanizado CNC do aluminio e as súas aliaxes. Tamén analiza as propiedades do aluminio, as aliaxes máis populares empregadas no mecanizado CNC, así como a aplicación do aluminio en diversas industrias.
Maquinabilidade
O aluminio fórmase, trabállase e mecanízase con facilidade mediante diversos procesos. Pódese cortar rápida e facilmente con máquinas-ferramenta porque é brando e lasca con facilidade. Tamén é máis barato e require menos enerxía para mecanizar que o aceiro. Estas características supoñen enormes beneficios tanto para o maquinista como para o cliente que encarga a peza. Ademais, a boa maquinabilidade do aluminio significa que se deforma menos durante o mecanizado. Isto leva a unha maior precisión, xa que permite que as máquinas CNC alcancen maiores tolerancias.
Relación forza-peso
O aluminio ten aproximadamente un terzo da densidade do aceiro. Isto faino relativamente lixeiro. Malia o seu peso lixeiro, o aluminio ten unha resistencia moi alta. Esta combinación de resistencia e peso lixeiro descríbese como a relación resistencia-peso dos materiais. A alta relación resistencia-peso do aluminio faino favorable para pezas requiridas en varias industrias como a automoción e a aeroespacial.
Resistencia á corrosión
O aluminio é resistente aos arañazos e á corrosión nas condicións mariñas e atmosféricas habituais. Podes mellorar estas propiedades mediante a anodización. É importante ter en conta que a resistencia á corrosión varía nos diferentes graos de aluminio. Non obstante, os graos mecanizados por CNC con máis frecuencia son os que teñen a maior resistencia.
Rendemento a baixas temperaturas
A maioría dos materiais tenden a perder algunhas das súas propiedades desexables a temperaturas baixo cero. Por exemplo, tanto os aceiros ao carbono como o caucho vólvense fráxiles a baixas temperaturas. O aluminio, pola súa banda, mantén a súa suavidade, ductilidade e resistencia a temperaturas moi baixas.
Condutividade eléctrica
A condutividade eléctrica do aluminio puro é duns 37.7 millóns de siemens por metro a temperatura ambiente. Aínda que as aliaxes de aluminio poden ter condutividades máis baixas que as do aluminio puro, son o suficientemente condutoras como para que as súas pezas se utilicen en compoñentes eléctricos. Por outra banda, o aluminio sería un material inadecuado se a condutividade eléctrica non é unha característica desexable dunha peza mecanizada.
Reciclabilidade
Dado que é un proceso de fabricación subtractivo, os procesos de mecanizado CNC xeran unha gran cantidade de lascas, que son materiais de refugallo. O aluminio é altamente reciclable, o que significa que require relativamente pouca enerxía, esforzo e custo para reciclar. Isto faino preferible para aqueles que queren recuperar os gastos ou reducir o desperdicio de material. Tamén fai que o aluminio sexa un material máis respectuoso co medio ambiente para mecanizar.
Potencial de anodización
A anodización, un procedemento de acabado superficial que aumenta a resistencia ao desgaste e á corrosión dun material, é doada de conseguir no aluminio. Este proceso tamén facilita engadir cor ás pezas mecanizadas de aluminio.
Ligas de aluminio populares para mecanizado CNC
Segundo a nosa experiencia en Xometry, as seguintes 5 calidades de aluminio son unhas das máis empregadas para o mecanizado CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Designacións alternativas: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Esta aliaxe de aluminio ten o cobre como principal elemento de aliaxe (4-5 %) do cobre. É unha aliaxe de viruta curta, duradeira, lixeira, altamente funcional e que ten as mesmas propiedades mecánicas elevadas que a AW 2030. Tamén é axeitada para roscado, tratamento térmico e mecanizado de alta velocidade. Todas estas propiedades fan que a EN AW 2007 sexa amplamente utilizada na produción de pezas de máquinas, parafusos, remaches, porcas, tornillos e barras roscadas. Non obstante, esta calidade de aluminio ten baixa soldabilidade e baixa resistencia á corrosión; polo tanto, recoméndase realizar unha anodización protectora despois do mecanizado da peza.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Designacións alternativas: 3.3547; Aleación 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
A AW 5083 é coñecida polo seu excelente rendemento en ambientes severos. Contén magnesio e pequenas trazas de cromo e manganeso. Esta calidade ten unha resistencia moi alta á corrosión tanto en ambientes químicos como mariños. De todas as aliaxes non tratables termicamente, a AW 5080 ten a maior resistencia; unha propiedade que conserva mesmo despois da soldadura. Aínda que esta aliaxe non se debe usar en aplicacións con temperaturas superiores a 65 °C, destaca en aplicacións a baixa temperatura.
Debido ao seu conxunto de propiedades desexables, o AW 5080 úsase en numerosas aplicacións, incluíndo equipos crioxénicos, aplicacións mariñas, equipos a presión, aplicacións químicas, construcións soldadas e carrozarías de vehículos.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Designacións alternativas: 3.3535; Aliaxe 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Ao ser unha aliaxe de aluminio-magnesio forxada coa maior porcentaxe de aluminio, a AW 5754 pódese laminar, forxar e extruír. Tampouco é tratable termicamente e pódese traballar en frío para aumentar a súa resistencia, pero cunha ductilidade menor. Ademais, esta aliaxe ten unha excelente resistencia á corrosión e unha alta resistencia. Tendo en conta estas propiedades, é comprensible que a AW 5754 sexa unha das calidades de aluminio mecanizado por CNC máis populares. Normalmente úsase en estruturas soldadas, aplicacións en pavimentos, equipos de pesca, carrozarías de vehículos, procesamento de alimentos e remaches.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Designacións alternativas: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Trátase dunha aliaxe de aluminio forxado que contén magnesio e silicio. É tratable termicamente e ten unha resistencia media, boa soldabilidade e boa conformabilidade. Tamén é moi resistente á corrosión; unha propiedade que se pode mellorar aínda máis mediante anodización. A EN AW 6060 úsase a miúdo na construción, no procesamento de alimentos, nos equipos médicos e na enxeñaría automotriz.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Designacións alternativas: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
O cinc é o principal elemento de aliaxe neste grao de aluminio. Aínda que a EN AW 7075 ten unha maquinabilidade media, unhas propiedades de conformado en frío deficientes e non é axeitada nin para soldadura, ten unha alta relación resistencia-densidade, unha excelente resistencia aos ambientes atmosféricos e mariños e unha resistencia comparable á dalgunhas aliaxes de aceiro. Esta aliaxe emprégase nunha ampla gama de aplicacións, incluíndo cadros de alas deltas e bicicletas, equipos de escalada, armamento e fabricación de ferramentas de moldes.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Designacións alternativas: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Esta aliaxe contén magnesio e silicio como os seus principais elementos de aliaxe con trazas de cobre. Cunha resistencia á tracción de 180 MPa, é unha aliaxe de alta resistencia e é moi axeitada para estruturas con cargas elevadas como andamios, vagóns de tren, maquinaria e pezas aeroespaciais.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Designacións alternativas: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Normalmente formada por laminación e extrusión, esta aliaxe ten unha resistencia media con moi boa soldabilidade e condutividade térmica. Ten unha alta resistencia á corrosión por tensión. Ten unha resistencia á tracción que oscila entre os 140 e os 330 MPa. Emprégase amplamente en construcións e contedores mariños.
Procesos de mecanizado CNC de aluminio
Podes mecanizar aluminio mediante varios dos procesos de mecanizado CNC dispoñibles hoxe en día. Algúns destes procesos son os seguintes.
Torneado CNC
Nas operacións de torneado CNC, a peza xira, mentres que a ferramenta de corte de punto único permanece estacionaria ao longo do seu eixe. Dependendo da máquina, a peza ou a ferramenta de corte realizan un movemento de avance contra a outra para lograr a eliminación de material.
Fresado CNC
As operacións de fresado CNC son as máis empregadas no mecanizado de pezas de aluminio. Estas operacións implican a rotación dun corte multipunto ao longo do seu eixe, mentres que a peza permanece estacionaria ao longo do seu propio eixe. A acción de corte e, posteriormente, a eliminación de material conséguese mediante o movemento de avance da peza, da ferramenta de corte ou de ambos combinados. Este movemento pódese levar a cabo ao longo de varios eixes.
Peto
Tamén coñecido como fresado de petos, o fresado de petos é unha forma de fresado CNC na que se mecaniza un peto oco nunha peza.
Revestimento
O refrentado no mecanizado implica a creación dunha área de sección transversal plana na superficie dunha peza mediante torneado frontal ou fresado frontal.
Perforación CNC
A perforación CNC é o proceso de facer un burato nunha peza de traballo. Nesta operación, unha ferramenta de corte rotatoria de varios puntos dun tamaño determinado móvese en liña recta perpendicular á superficie que se vai perforar, creando así un burato de forma efectiva.
Ferramentas para o mecanizado de aluminio
Hai varios factores que inflúen na selección dunha ferramenta para o mecanizado CNC de aluminio.
Deseño de ferramentas
Hai diferentes aspectos da xeometría dunha ferramenta que contribúen á súa eficiencia no mecanizado de aluminio. Un deles é o número de estrías. Para evitar dificultades na evacuación de virutas a altas velocidades, as ferramentas de corte para o mecanizado CNC de aluminio deben ter de 2 a 3 estrías. Un maior número de estrías resulta en vales de viruta máis pequenos. Isto fará que as virutas grandes producidas polas aliaxes de aluminio queden atascadas. Cando as forzas de corte son baixas e a separación de virutas é fundamental para o proceso, débense usar 2 estrías. Para un equilibrio perfecto entre a separación de virutas e a resistencia da ferramenta, use 3 estrías.
Ángulo de hélice
O ángulo de hélice é o ángulo entre a liña central dunha ferramenta e unha liña recta tanxente ao longo do filo de corte. É unha característica importante das ferramentas de corte. Aínda que un ángulo de hélice máis alto elimina as virutas dunha peza máis rápido, aumenta a fricción e a calor durante o corte. Isto pode facer que as virutas se solden á superficie da ferramenta durante o mecanizado CNC de aluminio a alta velocidade. Un ángulo de hélice máis baixo, por outra banda, produce menos calor, pero pode non eliminar as virutas de forma eficaz. Para o mecanizado de aluminio, un ángulo de hélice de 35° ou 40° é axeitado para aplicacións de desbaste, mentres que un ángulo de hélice de 45° é o mellor para o acabado.
Ángulo de separación
O ángulo de separación é outro factor importante para o correcto funcionamento dunha ferramenta. Un ángulo excesivamente grande faría que a ferramenta se afundise na peza e vibrase. Por outra banda, un ángulo demasiado pequeno causaría fricción entre a ferramenta e a peza. Os ángulos de separación entre 6° e 10° son os mellores para o mecanizado CNC de aluminio.
Material da ferramenta
O carburo é o material preferido para as ferramentas de corte empregadas no mecanizado CNC de aluminio. Debido a que o aluminio ten un corte suave, o importante nunha ferramenta de corte para aluminio non é a dureza, senón a capacidade de manter un filo afiado como unha navalla. Esta capacidade está presente nas ferramentas de carburo e depende de dous factores: o tamaño do gran de carburo e a proporción de aglutinante. Mentres que un tamaño de gran maior resulta nun material máis duro, un tamaño de gran menor garante un material máis resistente e resistente aos impactos, que é en realidade a propiedade que necesitamos. Os grans máis pequenos requiren cobalto para conseguir a estrutura de gran fino e a resistencia do material.
Non obstante, o cobalto reacciona co aluminio a altas temperaturas, formando un bordo acumulado de aluminio na superficie da ferramenta. A clave é usar unha ferramenta de carburo coa cantidade correcta de cobalto (2-20 %) para minimizar esta reacción, mantendo ao mesmo tempo a resistencia necesaria. As ferramentas de carburo adoitan soportar mellor que as de aceiro as altas velocidades asociadas ao mecanizado CNC de aluminio.
Ademais do material da ferramenta, o seu revestimento é un factor importante na eficiencia do corte. O ZrN (nitruro de circonio), o TiB2 (diboruro de titanio) e os revestimentos de tipo diamante son algúns revestimentos axeitados para as ferramentas empregadas no mecanizado CNC de aluminio.
Avances e velocidades
A velocidade de corte é a velocidade á que xira a ferramenta de corte. O aluminio pode soportar unha velocidade de corte moi alta, polo que a velocidade de corte para as aliaxes de aluminio depende dos límites da máquina que se utilice. A velocidade debe ser o máis alta posible no mecanizado CNC de aluminio, xa que isto reduce a posibilidade de formación de bordos acumulados, aforra tempo, minimiza o aumento de temperatura na peza, mellora a rotura de virutas e mellora o acabado. A velocidade exacta utilizada varía segundo a aliaxe de aluminio e o diámetro da ferramenta.
A velocidade de avance é a distancia que se move a peza ou a ferramenta por revolución da ferramenta. O avance utilizado depende do acabado desexado, da resistencia e da rixidez da peza. Os cortes en bruto requiren un avance de 0.15 a 2.03 mm/rev mentres que os cortes de acabado requiren un avance de 0.05 a 0.15 mm/rev.
Fluido de corte
A pesar da súa maquinabilidade, nunca cortes o aluminio en seco, xa que isto promove a formación de bordos acumulados. Os fluídos de corte axeitados para o mecanizado CNC de aluminio son emulsións de aceite soluble e aceites minerais. Evita os fluídos de corte que conteñan cloro ou xofre activo, xa que estes elementos manchan o aluminio.
Procesos post-mecanizado
Despois de mecanizar unha peza de aluminio, hai certos procesos que se poden levar a cabo para mellorar as características físicas, mecánicas e estéticas da peza. Os procesos máis estendidos son os seguintes.
Chorro de area e esfera
O chorreado con esferas é un proceso de acabado con fins estéticos. Neste proceso, a peza mecanizada é chorreada con pequenas esferas de vidro usando unha pistola de aire a alta presión, eliminando eficazmente o material e garantindo unha superficie lisa. Isto dálle ao aluminio un acabado satinado ou mate. Os principais parámetros do proceso para o chorreado con esferas son o tamaño das esferas de vidro e a cantidade de presión de aire utilizada. Só se debe usar este proceso cando as tolerancias dimensionais dunha peza non sexan críticas.
Outros procesos de acabado inclúen o pulido e a pintura.
revestimento
Isto implica recubrir unha peza de aluminio con outro material como zinc, níquel e cromo. Isto faise para mellorar os procesos de fabricación das pezas e pódese conseguir mediante procesos electroquímicos.
Anodizado
A anodización é un proceso electroquímico no que unha peza de aluminio se mergulla nunha solución de ácido sulfúrico diluído e se aplica unha tensión eléctrica entre o cátodo e o ánodo. Este proceso converte eficazmente as superficies expostas da peza nun revestimento de óxido de aluminio duro e electricamente non reactivo. A densidade e o grosor do revestimento creado dependen da consistencia da solución, do tempo de anodización e da corrente eléctrica. Tamén se pode levar a cabo a anodización para colorear unha peza.
Powder Coating
O proceso de revestimento en po implica o recubrimento dunha peza con polímero en po de cores, usando unha pistola pulverizadora electrostática. Despois, a peza déixase curar a unha temperatura de 200 °C. O revestimento en po mellora a resistencia ao desgaste, á corrosión e aos impactos.
Tratamento térmico
As pezas fabricadas con aliaxes de aluminio tratables termicamente poden someterse a tratamento térmico para mellorar as súas propiedades mecánicas.
Aplicacións das pezas de aluminio mecanizadas por CNC na industria
Como se indicou anteriormente, as aliaxes de aluminio teñen unha serie de propiedades desexables. Polo tanto, as pezas de aluminio mecanizadas por CNC son indispensables en varias industrias, entre elas as seguintes:
- Aeroespaçodebido á súa alta relación resistencia-peso, varios accesorios para aeronaves están fabricados con aluminio mecanizado;
- AutomociónDo mesmo xeito que na industria aeroespacial, varias pezas como os eixes e outros compoñentes da industria do automóbil están fabricadas con aluminio;
- eléctrico: ao ter altas condutividades eléctricas, as pezas de aluminio mecanizadas por CNC úsanse a miúdo como compoñentes electrónicos en electrodomésticos;
- Alimentos/FarmacéuticosDebido a que non reaccionan coa maioría das substancias orgánicas, as pezas de aluminio desempeñan funcións importantes nas industrias alimentaria e farmacéutica;
- deportesO aluminio úsase a miúdo para fabricar equipamento deportivo como bates de béisbol e asubíos deportivos;
- CriogeniaA capacidade do aluminio para manter as súas propiedades mecánicas a temperaturas baixo cero fai que as pezas de aluminio sexan desexables para aplicacións crioxénicas.