Alluminio per materiali di lavorazione CNC
L'alluminio è uno dei materiali più lavorati oggi disponibili. Infatti, le lavorazioni CNC dell'alluminio sono seconde solo all'acciaio in termini di frequenza di esecuzione. Ciò è dovuto principalmente alla sua eccellente lavorabilità.
Nella sua forma più pura, l'alluminio è un elemento chimico morbido, duttile, non magnetico e di aspetto bianco-argenteo. Tuttavia, l'elemento non viene utilizzato solo in forma pura. L'alluminio viene solitamente legato con vari elementi come manganese, rame e magnesio per formare centinaia di leghe di alluminio con diverse proprietà notevolmente migliorate.
Questo articolo esplora i processi, gli strumenti, i parametri e le sfide della lavorazione CNC dell'alluminio e delle sue leghe. Analizza inoltre le proprietà dell'alluminio, le leghe più comunemente utilizzate nella lavorazione CNC e le sue applicazioni in vari settori industriali.
lavorabilità
L'alluminio è facilmente lavorabile, lavorabile e lavorabile meccanicamente utilizzando una varietà di processi. Può essere tagliato rapidamente e facilmente dalle macchine utensili perché è morbido e si scheggia facilmente. È anche meno costoso e richiede meno potenza di lavorazione rispetto all'acciaio. Queste caratteristiche rappresentano immensi vantaggi sia per l'operatore che per il cliente che ordina il pezzo. Inoltre, la buona lavorabilità dell'alluminio significa che si deforma meno durante la lavorazione. Questo si traduce in una maggiore precisione, poiché consente alle macchine CNC di raggiungere tolleranze più elevate.
Rapporto forza-peso
L'alluminio ha una densità pari a circa un terzo di quella dell'acciaio. Questo lo rende relativamente leggero. Nonostante la sua leggerezza, l'alluminio ha un'elevatissima resistenza. Questa combinazione di resistenza e leggerezza è definita rapporto resistenza/peso dei materiali. L'elevato rapporto resistenza/peso dell'alluminio lo rende ideale per componenti richiesti in diversi settori, come quello automobilistico e aerospaziale.
Resistenza alla Corrosione
L'alluminio è resistente ai graffi e alla corrosione nelle comuni condizioni marine e atmosferiche. È possibile migliorare queste proprietà tramite anodizzazione. È importante notare che la resistenza alla corrosione varia a seconda del grado di alluminio. Tuttavia, i gradi lavorati più frequentemente tramite lavorazioni CNC sono quelli con la maggiore resistenza.
Prestazioni a basse temperature
La maggior parte dei materiali tende a perdere alcune delle sue proprietà desiderabili a temperature inferiori allo zero. Ad esempio, sia gli acciai al carbonio che la gomma diventano fragili a basse temperature. L'alluminio, a sua volta, mantiene la sua morbidezza, duttilità e resistenza a temperature molto basse.
Conduttività elettrica
La conduttività elettrica dell'alluminio puro è di circa 37.7 milioni di siemens per metro a temperatura ambiente. Sebbene le leghe di alluminio possano avere conduttività inferiori a quelle dell'alluminio puro, sono sufficientemente conduttive da poter essere utilizzate nei componenti elettrici. D'altro canto, l'alluminio sarebbe un materiale inadatto se la conduttività elettrica non fosse una caratteristica desiderabile di un pezzo lavorato.
riciclabilità
Trattandosi di un processo di produzione sottrattivo, le lavorazioni CNC generano un gran numero di trucioli, che sono materiali di scarto. L'alluminio è altamente riciclabile, il che significa che richiede relativamente pochi livelli di energia, impegno e costi per il riciclo. Questo lo rende preferibile a chi desidera recuperare le spese o ridurre gli sprechi di materiale. Inoltre, rende l'alluminio un materiale più ecologico da lavorare.
Potenziale di anodizzazione
L'anodizzazione, un processo di finitura superficiale che aumenta la resistenza all'usura e alla corrosione di un materiale, è facile da realizzare sull'alluminio. Questo processo semplifica anche l'aggiunta di colore ai componenti in alluminio lavorati meccanicamente.
Leghe di alluminio più diffuse per la lavorazione CNC
Dalla nostra esperienza presso Xometry, i seguenti 5 gradi di alluminio sono tra i più utilizzati per la lavorazione CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Denominazioni alternative: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Questa lega di alluminio ha il rame come principale elemento di lega (4-5%). È una lega a truciolo corto, durevole, leggera, altamente funzionale e con le stesse elevate proprietà meccaniche dell'AW 2030. È adatta anche per filettatura, trattamento termico e lavorazioni ad alta velocità. Tutte queste proprietà rendono l'EN AW 2007 ampiamente utilizzato nella produzione di componenti meccanici, bulloni, rivetti, dadi, viti e barre filettate. Tuttavia, questo grado di alluminio presenta una bassa saldabilità e una bassa resistenza alla corrosione; pertanto, si consiglia di eseguire un'anodizzazione protettiva dopo la lavorazione del pezzo.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Denominazioni alternative: 3.3547; Lega 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
L'AW 5083 è rinomato per le sue eccellenti prestazioni in ambienti difficili. Contiene magnesio e piccole tracce di cromo e manganese. Questo grado presenta un'elevatissima resistenza alla corrosione sia in ambienti chimici che marini. Tra tutte le leghe non trattabili termicamente, l'AW 5080 presenta la più elevata resistenza, una proprietà che mantiene anche dopo la saldatura. Sebbene questa lega non debba essere utilizzata in applicazioni con temperature superiori a 65 °C, eccelle nelle applicazioni a basse temperature.
Grazie alle sue proprietà desiderabili, l'AW 5080 viene utilizzato in numerose applicazioni, tra cui apparecchiature criogeniche, applicazioni marine, apparecchiature a pressione, applicazioni chimiche, costruzioni saldate e carrozzerie di veicoli.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Denominazioni alternative: 3.3535; Lega 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Essendo una lega di alluminio-magnesio lavorata con la più alta percentuale di alluminio, AW 5754 può essere laminato, forgiato ed estruso. Inoltre, non è trattabile termicamente e può essere lavorato a freddo per aumentarne la resistenza, ma con una duttilità inferiore. Inoltre, questa lega presenta un'eccellente resistenza alla corrosione e un'elevata resistenza meccanica. Considerate queste proprietà, è comprensibile che AW 5754 sia uno dei gradi di alluminio lavorati a controllo numerico più diffusi. Viene tipicamente utilizzato in strutture saldate, applicazioni di pavimentazione, attrezzature da pesca, carrozzerie di veicoli, lavorazione alimentare e rivetti.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Denominazioni alternative: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B221; AlMgSi0,5
Si tratta di una lega di alluminio lavorato a matrice polimerica contenente magnesio e silicio. È trattabile termicamente e presenta una resistenza media, una buona saldabilità e una buona formabilità. È inoltre altamente resistente alla corrosione, una proprietà che può essere ulteriormente migliorata tramite anodizzazione. La EN AW 6060 è spesso utilizzata nell'edilizia, nell'industria alimentare, nelle apparecchiature medicali e nell'ingegneria automobilistica.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Denominazioni alternative: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Lo zinco è il principale elemento di lega in questo grado di alluminio. Sebbene l'EN AW 7075 abbia una lavorabilità media, scarse proprietà di formatura a freddo e non sia adatto sia alla saldatura che alla brasatura, presenta un elevato rapporto resistenza/densità, un'eccellente resistenza agli ambienti atmosferici e marini e una resistenza paragonabile a quella di alcune leghe di acciaio. Questa lega è impiegata in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui telai per deltaplani e biciclette, attrezzature per arrampicata su roccia, armi e produzione di stampi.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Denominazioni alternative: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Questa lega contiene magnesio e silicio come principali elementi di lega, con tracce di rame. Con una resistenza alla trazione di 180 MPa, è una lega ad alta resistenza ed è particolarmente adatta per strutture soggette a carichi elevati come impalcature, vagoni ferroviari, componenti meccanici e aerospaziali.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Denominazioni alternative: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Tipicamente ottenuta per laminazione ed estrusione, questa lega presenta una resistenza media con un'ottima saldabilità e conduttività termica. Presenta un'elevata resistenza alla criccabilità da corrosione sotto sforzo. Presenta una resistenza alla trazione che varia da 140 a 330 MPa. È ampiamente utilizzata nelle costruzioni offshore e nei container.
Processi di lavorazione CNC dell'alluminio
L'alluminio può essere lavorato con diversi processi di lavorazione CNC disponibili oggi. Ecco alcuni di questi processi:
tornitura CNC
Nelle operazioni di tornitura CNC, il pezzo ruota, mentre l'utensile da taglio a punta singola rimane fermo lungo il suo asse. A seconda della macchina, il pezzo o l'utensile da taglio eseguono un movimento di avanzamento reciproco per ottenere l'asportazione di materiale.
Fresatura CNC
Le operazioni di fresatura CNC sono le più comunemente utilizzate nella lavorazione di componenti in alluminio. Queste operazioni comportano la rotazione di un tagliente multi-punto lungo il proprio asse, mentre il pezzo rimane fermo lungo il proprio asse. L'azione di taglio e la successiva asportazione del materiale sono ottenute dal movimento di avanzamento del pezzo, dell'utensile da taglio o di entrambi combinati. Questo movimento può essere eseguito lungo più assi.
intascando
Nota anche come fresatura di tasche, la fresatura di tasche è una forma di fresatura CNC in cui viene ricavata una tasca cava in un componente.
Di fronte
Nella lavorazione meccanica, la spianatura consiste nel creare un'area trasversale piana sulla superficie di un pezzo tramite tornitura o fresatura frontale.
Foratura CNC
La foratura CNC è il processo di creazione di un foro in un pezzo. In questa operazione, un utensile da taglio rotante multi-punta di una determinata dimensione si muove in linea retta perpendicolare alla superficie da forare, creando così un foro di fatto.
Utensili per la lavorazione dell'alluminio
Sono diversi i fattori che influenzano la scelta di un utensile per la lavorazione CNC dell'alluminio.
Progettazione di strumenti
Diversi aspetti della geometria di un utensile contribuiscono alla sua efficienza nella lavorazione dell'alluminio. Uno di questi è il numero di taglienti. Per evitare difficoltà nell'evacuazione del truciolo ad alte velocità, gli utensili da taglio per la lavorazione CNC dell'alluminio dovrebbero avere 2-3 taglienti. Un numero maggiore di taglienti si traduce in vani truciolo più piccoli. Questo fa sì che i trucioli di grandi dimensioni prodotti dalle leghe di alluminio rimangano bloccati. Quando le forze di taglio sono basse e la distanza tra i trucioli è fondamentale per il processo, è consigliabile utilizzare 2 taglienti. Per un perfetto equilibrio tra distanza tra i trucioli e resistenza dell'utensile, utilizzare 3 taglienti.
Angolo dell'elica
L'angolo d'elica è l'angolo tra la linea centrale di un utensile e una linea retta tangente al tagliente. È una caratteristica importante degli utensili da taglio. Mentre un angolo d'elica più elevato rimuove i trucioli da un pezzo più rapidamente, aumenta l'attrito e il calore durante il taglio. Questo può causare la saldatura dei trucioli alla superficie dell'utensile durante la lavorazione CNC ad alta velocità dell'alluminio. Un angolo d'elica più basso, d'altra parte, produce meno calore ma potrebbe non rimuovere i trucioli in modo efficace. Per la lavorazione dell'alluminio, un angolo d'elica di 35° o 40° è adatto per le applicazioni di sgrossatura, mentre un angolo d'elica di 45° è ideale per la finitura.
Angolo di gioco
L'angolo di spoglia è un altro fattore importante per il corretto funzionamento di un utensile. Un angolo eccessivamente ampio causerebbe l'affondamento dell'utensile nel pezzo da lavorare e la conseguente vibrazione. D'altra parte, un angolo troppo piccolo causerebbe attrito tra l'utensile e il pezzo da lavorare. Gli angoli di spoglia compresi tra 6° e 10° sono ideali per la lavorazione CNC dell'alluminio.
Materiale dello strumento
Il metallo duro è il materiale preferito per gli utensili da taglio utilizzati nella lavorazione CNC dell'alluminio. Poiché l'alluminio è un materiale tenero, ciò che conta in un utensile da taglio per l'alluminio non è la durezza, ma la capacità di mantenere un filo affilato come un rasoio. Questa capacità è presente negli utensili in metallo duro e dipende da due fattori: la granulometria del carburo e il rapporto legante. Mentre una granulometria maggiore si traduce in un materiale più duro, una granulometria minore garantisce un materiale più tenace e resistente agli urti, che è in realtà la proprietà di cui abbiamo bisogno. Granuli più piccoli richiedono il cobalto per ottenere la struttura a grana fine e la resistenza del materiale.
Tuttavia, il cobalto reagisce con l'alluminio ad alte temperature, formando un bordo di riporto di alluminio sulla superficie dell'utensile. Il segreto è utilizzare un utensile in metallo duro con la giusta quantità di cobalto (2-20%), per ridurre al minimo questa reazione, pur mantenendo la resistenza richiesta. Gli utensili in metallo duro sono in genere in grado di resistere meglio degli utensili in acciaio alle alte velocità associate alla lavorazione CNC dell'alluminio.
Oltre al materiale dell'utensile, anche il rivestimento è un fattore importante per l'efficienza di taglio. ZrN (nitruro di zirconio), TiB2 (diboruro di titanio) e rivestimenti simili al diamante sono alcuni dei rivestimenti adatti per gli utensili utilizzati nella lavorazione CNC dell'alluminio.
Avanzamenti e velocità
La velocità di taglio è la velocità di rotazione dell'utensile da taglio. L'alluminio può sopportare velocità di taglio molto elevate, pertanto la velocità di taglio per le leghe di alluminio dipende dai limiti della macchina utilizzata. La velocità dovrebbe essere la più elevata possibile nella lavorazione CNC dell'alluminio, poiché ciò riduce la possibilità di formazione di taglienti di riporto, fa risparmiare tempo, minimizza l'aumento di temperatura nel pezzo, migliora la rottura del truciolo e la finitura. La velocità esatta utilizzata varia a seconda della lega di alluminio e del diametro dell'utensile.
La velocità di avanzamento è la distanza percorsa dal pezzo o dall'utensile per ogni giro dell'utensile. L'avanzamento utilizzato dipende dalla finitura desiderata, dalla resistenza e dalla rigidità del pezzo. I tagli di sgrossatura richiedono un avanzamento compreso tra 0.15 e 2.03 mm/giro, mentre i tagli di finitura richiedono un avanzamento compreso tra 0.05 e 0.15 mm/giro.
Fluido da taglio
Nonostante la sua lavorabilità, non tagliare mai l'alluminio a secco, poiché ciò favorisce la formazione di taglienti di riporto. I fluidi da taglio appropriati per la lavorazione CNC dell'alluminio sono emulsioni di oli solubili e oli minerali. Evitare fluidi da taglio contenenti cloro o zolfo attivo, poiché questi elementi macchiano l'alluminio.
Processi di post-lavorazione
Dopo la lavorazione di un componente in alluminio, è possibile eseguire alcuni processi per migliorarne le caratteristiche fisiche, meccaniche ed estetiche. I processi più diffusi sono i seguenti.
Perlinatura e sabbiatura
La pallinatura è un processo di finitura a fini estetici. In questo processo, il pezzo lavorato viene sabbiato con minuscole microsfere di vetro utilizzando una pistola ad aria compressa ad alta pressione, rimuovendo efficacemente il materiale e garantendo una superficie liscia. Conferisce all'alluminio una finitura satinata o opaca. I principali parametri di processo per la pallinatura sono la dimensione delle microsfere di vetro e la pressione dell'aria utilizzata. Utilizzare questo processo solo quando le tolleranze dimensionali di un pezzo non sono critiche.
Altri processi di finitura includono la lucidatura e la verniciatura.
Rivestimento
Questa tecnica consiste nel rivestire un componente in alluminio con un altro materiale, come zinco, nichel e cromo. Questo processo viene utilizzato per migliorare i processi di lavorazione dei componenti e può essere ottenuto tramite processi elettrochimici.
anodizzazione
L'anodizzazione è un processo elettrochimico in cui un componente in alluminio viene immerso in una soluzione di acido solforico diluito e una tensione elettrica viene applicata tra il catodo e l'anodo. Questo processo converte efficacemente le superfici esposte del componente in un rivestimento di ossido di alluminio duro ed elettricamente non reattivo. La densità e lo spessore del rivestimento creato dipendono dalla consistenza della soluzione, dal tempo di anodizzazione e dalla corrente elettrica. È possibile eseguire l'anodizzazione anche per colorare un componente.
Powder Coating
Il processo di verniciatura a polvere prevede il rivestimento di un componente con polvere polimerica colorata, utilizzando una pistola a spruzzo elettrostatica. Il componente viene quindi lasciato polimerizzare a una temperatura di 200 °C. La verniciatura a polvere migliora la resistenza e la resistenza all'usura, alla corrosione e agli urti.
Trattamento termico
Le parti realizzate in leghe di alluminio trattabili termicamente possono essere sottoposte a trattamento termico per migliorarne le proprietà meccaniche.
Applicazioni di parti in alluminio lavorate a CNC nell'industria
Come affermato in precedenza, le leghe di alluminio presentano numerose proprietà vantaggiose. Pertanto, i componenti in alluminio lavorati a CNC sono indispensabili in diversi settori, tra cui:
- Aeronautico: grazie all'elevato rapporto resistenza/peso, molti raccordi per aeromobili sono realizzati in alluminio lavorato;
- Automotive: similmente all'industria aerospaziale, diverse parti come alberi e altri componenti nell'industria automobilistica sono realizzati in alluminio;
- CONDUCIBILITA: avendo un'elevata conduttività elettrica, i componenti in alluminio lavorati a CNC vengono spesso utilizzati come componenti elettronici negli elettrodomestici;
- Alimentare/Farmaceutico: poiché non reagiscono con la maggior parte delle sostanze organiche, i componenti in alluminio svolgono un ruolo importante nell'industria alimentare e farmaceutica;
- Sport: l'alluminio è spesso utilizzato per realizzare attrezzature sportive come mazze da baseball e fischietti sportivi;
- Cryogenics: la capacità dell'alluminio di mantenere le sue proprietà meccaniche a temperature inferiori allo zero rende i componenti in alluminio ideali per le applicazioni criogeniche.