Aluminium als materiaal voor CNC-bewerking
Aluminium is een van de meest bewerkte materialen van dit moment. Sterker nog, CNC-bewerkingen van aluminium komen na staal op de tweede plaats qua frequentie. Dit is voornamelijk te danken aan de uitstekende bewerkbaarheid.
In zijn puurste vorm is het chemische element aluminium zacht, buigzaam, niet-magnetisch en zilvergrijs van kleur. Het element wordt echter niet alleen in pure vorm gebruikt. Aluminium wordt meestal gelegeerd met verschillende elementen zoals mangaan, koper en magnesium om honderden aluminiumlegeringen te vormen met diverse, aanzienlijk verbeterde eigenschappen.
Dit artikel onderzoekt de processen, gereedschappen, parameters en uitdagingen die komen kijken bij het CNC-bewerken van aluminium en aluminiumlegeringen. Het bespreekt tevens de eigenschappen van aluminium, de meest gebruikte legeringen in de CNC-bewerking, en de toepassingen van aluminium in diverse industrieën.
bewerkbaarheid
Aluminium laat zich gemakkelijk vormen, bewerken en machinaal bewerken met behulp van diverse processen. Het kan snel en eenvoudig worden gesneden door werktuigmachines omdat het zacht is en gemakkelijk versplintert. Het is ook minder duur en vereist minder energie om te bewerken dan staal. Deze eigenschappen zijn van groot voordeel voor zowel de machinist als de klant die het onderdeel bestelt. Bovendien zorgt de goede bewerkbaarheid van aluminium ervoor dat het minder vervormt tijdens de bewerking. Dit leidt tot een hogere nauwkeurigheid, omdat CNC-machines hierdoor hogere toleranties kunnen bereiken.
Sterkte-gewichtsverhouding
Aluminium heeft ongeveer een derde van de dichtheid van staal. Daardoor is het relatief licht. Ondanks het lage gewicht heeft aluminium een zeer hoge sterkte. Deze combinatie van sterkte en laag gewicht wordt de sterkte-gewichtsverhouding van materialen genoemd. De hoge sterkte-gewichtsverhouding van aluminium maakt het geschikt voor onderdelen in diverse industrieën, zoals de auto- en luchtvaartindustrie.
Corrosiebestendigheid
Aluminium is krasbestendig en corrosiebestendig onder gangbare maritieme en atmosferische omstandigheden. Deze eigenschappen kunnen worden verbeterd door anodiseren. Het is belangrijk om te weten dat de corrosiebestendigheid verschilt per aluminiumsoort. De meest gebruikte CNC-bewerkte soorten zijn echter het meest corrosiebestendig.
Prestaties bij lage temperaturen
De meeste materialen verliezen bij temperaturen onder nul een deel van hun gewenste eigenschappen. Zo worden koolstofstaal en rubber bijvoorbeeld broos bij lage temperaturen. Aluminium daarentegen behoudt zijn zachtheid, buigzaamheid en sterkte bij zeer lage temperaturen.
Elektrische geleiding
De elektrische geleidbaarheid van zuiver aluminium bedraagt ongeveer 37.7 miljoen siemens per meter bij kamertemperatuur. Hoewel aluminiumlegeringen een lagere geleidbaarheid kunnen hebben dan zuiver aluminium, zijn ze geleidend genoeg om hun onderdelen te gebruiken in elektrische componenten. Aan de andere kant zou aluminium een ongeschikt materiaal zijn als elektrische geleidbaarheid geen gewenste eigenschap is van een bewerkt onderdeel.
recycleerbaarheid
Omdat CNC-bewerking een subtractief productieproces is, genereert het een grote hoeveelheid spanen, die als afvalmateriaal dienen. Aluminium is zeer goed recyclebaar, wat betekent dat het relatief weinig energie, moeite en kosten vergt om te recyclen. Dit maakt het aantrekkelijk voor bedrijven die hun investering willen terugverdienen of materiaalverspilling willen verminderen. Bovendien is aluminium daardoor een milieuvriendelijker materiaal om te bewerken.
Anodisatie Potentieel
Anodiseren, een oppervlaktebehandeling die de slijt- en corrosiebestendigheid van een materiaal verhoogt, is eenvoudig toe te passen op aluminium. Dit proces maakt het ook gemakkelijker om bewerkte aluminium onderdelen van kleur te voorzien.
Populaire aluminiumlegeringen voor CNC-bewerking
Uit onze ervaring bij Xometry blijkt dat de volgende 5 aluminiumsoorten het meest gebruikt worden voor CNC-bewerking.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternatieve benamingen: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Deze aluminiumlegering heeft koper als belangrijkste legeringselement (4-5%) van koper. Het is een kortspanige legering die duurzaam, licht en zeer functioneel is en dezelfde hoge mechanische eigenschappen heeft als AW 2030. Het is ook geschikt voor draadsnijden, warmtebehandeling en hogesnelheidsbewerking. Al deze eigenschappen zorgen ervoor dat EN AW 2007 op grote schaal wordt gebruikt bij de productie van machineonderdelen, bouten, klinknagelmoeren, schroeven en draadstangen. Deze aluminiumsoort heeft echter een lage lasbaarheid en een lage corrosieweerstand; daarom wordt aanbevolen om na het bewerken van onderdelen een beschermende anodisatie uit te voeren.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternatieve benamingen: 3.3547; Legering 5083; EN 573-3; UNS-A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 staat bekend om zijn uitstekende prestaties in zware omstandigheden. Het bevat magnesium en kleine sporen van chroom en mangaan. Deze kwaliteit heeft een zeer hoge weerstand tegen corrosie in zowel chemische als maritieme omgevingen. Van alle niet-hittebehandelbare legeringen heeft AW 5080 de hoogste sterkte; een eigenschap die het zelfs na het lassen behoudt. Hoewel deze legering niet mag worden gebruikt in toepassingen met temperaturen hoger dan 65°C, blinkt zij uit bij toepassingen bij lage temperaturen.
Vanwege de gewenste eigenschappen wordt AW 5080 gebruikt in tal van toepassingen, waaronder cryogene apparatuur, maritieme toepassingen, drukapparatuur, chemische toepassingen, gelaste constructies en voertuigcarrosserieën.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternatieve benamingen: 3.3535; Legering 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Omdat het een gesmede aluminium-magnesiumlegering is met het hoogste percentage aluminium, kan AW 5754 worden gewalst, gesmeed en geëxtrudeerd. Het is ook niet hittebehandelbaar en kan koud worden bewerkt om de sterkte te vergroten, maar met een lagere taaiheid. Bovendien heeft deze legering een uitstekende weerstand tegen corrosie en een hoge sterkte. Gezien deze eigenschappen is het begrijpelijk dat AW 5754 een van de meest populaire CNC-gefreesde aluminiumsoorten is. Het wordt doorgaans gebruikt in gelaste constructies, vloertoepassingen, visuitrusting, carrosserieën, voedselverwerking en klinknagels.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternatieve benamingen: 3.3206; ISO 6361; UNS-A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Dit is een magnesium- en siliciumhoudende smeedaluminiumlegering. Het is warmtebehandelbaar en heeft een gemiddelde sterkte, goede lasbaarheid en goede vervormbaarheid. Het is ook zeer goed bestand tegen corrosie; een eigenschap die door anodiseren nog verder verbeterd kan worden. EN AW 6060 wordt vaak gebruikt in de bouw, voedselverwerking, medische apparatuur en autotechniek.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternatieve benamingen: 3.4365; UNS-A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zink is het belangrijkste legeringselement in deze aluminiumsoort. Hoewel EN AW 7075 een gemiddelde bewerkbaarheid heeft, slechte koudvervormingseigenschappen heeft en niet geschikt is voor zowel lassen als solderen; het heeft een hoge sterkte-dichtheidsverhouding, uitstekende weerstand tegen atmosferische en maritieme omgevingen, en sterkte vergelijkbaar met sommige staallegeringen. Deze legering wordt gebruikt in een zeer breed scala aan toepassingen, waaronder deltavliegers en fietsframes, rotsklimapparatuur, wapens en de productie van vormgereedschap.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternatieve benamingen: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Deze legering bevat magnesium en silicium als belangrijkste legeringselementen met sporen van koper. Met een treksterkte van 180Mpa is dit een legering met hoge sterkte en zeer geschikt voor zwaarbelaste constructies zoals steigers, treinwagons, machine- en ruimtevaartonderdelen.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternatieve benamingen: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Deze legering wordt doorgaans gevormd door walsen en extrusie en heeft een gemiddelde sterkte met een zeer goede lasbaarheid en thermische geleidbaarheid. Het heeft een hoge weerstand tegen spanningscorrosie. Het heeft een treksterkte die varieert van 140 – 330 MPa. Het wordt veel gebruikt in de offshore-constructie en containers.
CNC-bewerkingsprocessen voor aluminium
U kunt aluminium bewerken met een aantal van de CNC-bewerkingsprocessen die tegenwoordig beschikbaar zijn. Sommige van deze processen zijn als volgt.
CNC Draaien
Bij CNC-draaien roteert het werkstuk, terwijl het enkelpunts snijgereedschap stilstaat langs zijn as. Afhankelijk van de machine voert ofwel het werkstuk ofwel het snijgereedschap een voedingsbeweging uit ten opzichte van de ander om materiaal te verwijderen.
CNC frezen
CNC-freesbewerkingen worden het meest gebruikt bij het bewerken van aluminium onderdelen. Bij deze bewerkingen roteert een meerpuntsfrees langs zijn as, terwijl het werkstuk stilstaat langs zijn eigen as. Het frezen en de daaropvolgende materiaalafvoer worden bereikt door de aanvoerbeweging van het werkstuk, het freesgereedschap of een combinatie van beide. Deze beweging kan langs meerdere assen plaatsvinden.
zakkenrollerij
Pocketfrezen, ook wel pocketfrezen genoemd, is een vorm van CNC-frezen waarbij in een onderdeel een holle kamer wordt bewerkt.
Facing
Bij het vlakdraaien gaat het om het creëren van een vlakke dwarsdoorsnede op het oppervlak van een werkstuk door middel van vlakdraaien of vlakfrezen.
CNC boren
CNC-boren is het proces waarbij een gat in een werkstuk wordt gemaakt. Bij deze bewerking beweegt een roterend snijgereedschap met meerdere punten, van een bepaalde grootte, in een rechte lijn loodrecht op het te boren oppervlak, waardoor een gat ontstaat.
Gereedschap voor het bewerken van aluminium
Er zijn verschillende factoren die van invloed zijn op de keuze van een gereedschap voor CNC-bewerking van aluminium.
Gereedschapsontwerp
Er zijn verschillende aspecten van de gereedschapsgeometrie die bijdragen aan de efficiëntie ervan bij het bewerken van aluminium. Een daarvan is het aantal snijkanten. Om problemen met de spaanafvoer bij hoge snelheden te voorkomen, moeten snijgereedschappen voor CNC-bewerking van aluminium 2-3 snijkanten hebben. Een groter aantal snijkanten resulteert in kleinere spaangroeven. Hierdoor kunnen de grote spanen die door aluminiumlegeringen worden geproduceerd, vast komen te zitten. Wanneer de snijkrachten laag zijn en spaanafvoer cruciaal is voor het proces, moet u 2 snijkanten gebruiken. Voor een perfecte balans tussen spaanafvoer en gereedschapssterkte gebruikt u 3 snijkanten.
Helix Hoek
De spiraalhoek is de hoek tussen de middellijn van een gereedschap en een rechte raaklijn langs de snijkant. Het is een belangrijk kenmerk van snijgereedschappen. Hoewel een grotere spiraalhoek spanen sneller verwijdert, verhoogt dit de wrijving en warmte tijdens het snijden. Dit kan ertoe leiden dat de spanen aan het gereedschapsoppervlak vastsmelten tijdens CNC-bewerkingen van aluminium met hoge snelheid. Een kleinere spiraalhoek daarentegen produceert minder warmte, maar verwijdert de spanen mogelijk niet effectief. Voor het bewerken van aluminium is een spiraalhoek van 35° of 40° geschikt voor voorbewerking, terwijl een spiraalhoek van 45° het meest geschikt is voor nabewerking.
Vrije hoek:
De vrijloophoek is een andere belangrijke factor voor de goede werking van een gereedschap. Een te grote hoek zorgt ervoor dat het gereedschap in het werkstuk snijdt en gaat trillen. Aan de andere kant veroorzaakt een te kleine hoek wrijving tussen het gereedschap en het werkstuk. Vrijloophoeken tussen 6° en 10° zijn het meest geschikt voor CNC-bewerking van aluminium.
Gereedschapsmateriaal
Hardmetaal is het voorkeursmateriaal voor snijgereedschappen die worden gebruikt bij CNC-bewerking van aluminium. Omdat aluminium zacht is om te bewerken, is niet de hardheid van het snijgereedschap voor aluminium van belang, maar het vermogen om een vlijmscherpe snede te behouden. Dit vermogen is aanwezig in hardmetalen gereedschappen en hangt af van twee factoren: de korrelgrootte van het hardmetaal en de verhouding van het bindmiddel. Hoewel een grotere korrelgrootte resulteert in harder materiaal, garandeert een kleinere korrelgrootte een taaier, slagvaster materiaal, wat precies de eigenschap is die we nodig hebben. Kleinere korrels vereisen kobalt om de fijne korrelstructuur en de sterkte van het materiaal te bereiken.
Kobalt reageert echter met aluminium bij hoge temperaturen, waardoor een aluminiumlaagje op het gereedschapsoppervlak ontstaat. De sleutel is het gebruik van een hardmetalen gereedschap met de juiste hoeveelheid kobalt (2-20%) om deze reactie te minimaliseren en tegelijkertijd de vereiste sterkte te behouden. Hardmetalen gereedschappen zijn doorgaans beter bestand tegen de hoge snelheden die gepaard gaan met CNC-bewerking van aluminium dan stalen gereedschappen.
Naast het gereedschapsmateriaal is de coating een belangrijke factor voor de snij-efficiëntie. ZrN (zirkoniumnitride), TiB2 (titaniumdiboride) en diamantachtige coatings zijn enkele geschikte coatings voor gereedschappen die worden gebruikt bij CNC-bewerking van aluminium.
Voedingen en snelheden
De snijsnelheid is de snelheid waarmee het snijgereedschap roteert. Aluminium kan zeer hoge snijsnelheden verdragen, waardoor de snijsnelheid voor aluminiumlegeringen afhankelijk is van de mogelijkheden van de gebruikte machine. Bij CNC-bewerking van aluminium moet de snelheid zo hoog mogelijk zijn, omdat dit de kans op opbouw van materiaal aan de randen verkleint, tijd bespaart, de temperatuurstijging in het werkstuk minimaliseert, de spaanafvoer verbetert en de afwerking optimaliseert. De exacte snelheid die gebruikt wordt, varieert afhankelijk van de aluminiumlegering en de diameter van het gereedschap.
De voedingssnelheid is de afstand die het werkstuk of gereedschap aflegt per omwenteling van het gereedschap. De gebruikte voedingssnelheid hangt af van de gewenste afwerking, de sterkte en de stijfheid van het werkstuk. Voor voorbewerking is een voedingssnelheid van 0.15 tot 2.03 mm/omwenteling nodig, terwijl voor nabewerking een voedingssnelheid van 0.05 tot 0.15 mm/omwenteling vereist is.
Snijvloeistof
Ondanks de goede bewerkbaarheid van aluminium, mag u het nooit droog snijden, omdat dit de vorming van opbouwranden bevordert. De geschikte snijvloeistoffen voor CNC-bewerking van aluminium zijn oplosbare olie-emulsies en minerale oliën. Vermijd snijvloeistoffen die chloor of actieve zwavel bevatten, aangezien deze elementen aluminium verkleuren.
Nabewerkingsprocessen
Na het bewerken van een aluminium onderdeel zijn er bepaalde processen die u kunt uitvoeren om de fysieke, mechanische en esthetische kenmerken van het onderdeel te verbeteren. De meest voorkomende processen zijn als volgt.
Parel- en zandstralen
Parelstralen is een afwerkingsproces voor esthetische doeleinden. Bij dit proces wordt het bewerkte onderdeel met behulp van een luchtdrukpistool met kleine glasparels gestraald, waardoor effectief materiaal wordt verwijderd en een glad oppervlak wordt gegarandeerd. Het geeft aluminium een satijnen of matte afwerking. De belangrijkste procesparameters voor het parelstralen zijn de grootte van de glasparels en de hoeveelheid gebruikte luchtdruk. Gebruik dit proces alleen als de maattoleranties van een onderdeel niet kritisch zijn.
Andere afwerkingsprocessen omvatten polijsten en schilderen.
Coating
Hierbij wordt een aluminium onderdeel gecoat met een ander materiaal zoals zink, nikkel en chroom. Dit wordt gedaan om de onderdelenprocessen te verbeteren en kan worden bereikt door middel van elektrochemische processen.
anodiseren
Anodiseren is een elektrochemisch proces waarbij een aluminium onderdeel wordt ondergedompeld in een oplossing van verdund zwavelzuur en er een elektrische spanning wordt aangelegd over de kathode en anode. Dit proces zet de blootgestelde oppervlakken van het onderdeel effectief om in een harde, elektrisch niet-reactieve aluminiumoxidecoating. De dichtheid en dikte van de gecreëerde coating is afhankelijk van de consistentie van de oplossing, de anodiseertijd en de elektrische stroom. Ook kunt u anodiseren om een onderdeel te kleuren.
Poeder Coating
Het poedercoatingproces omvat het coaten van een onderdeel met gekleurd polymeerpoeder, met behulp van een elektrostatisch spuitpistool. Vervolgens laat men het onderdeel uitharden bij een temperatuur van 200°C. Poedercoating verbetert de sterkte en weerstand tegen slijtage, corrosie en schokken.
Hittebehandeling
Onderdelen gemaakt van warmtebehandelbare aluminiumlegeringen kunnen een warmtebehandeling ondergaan om hun mechanische eigenschappen te verbeteren.
Toepassingen van CNC-gefreesde aluminium onderdelen in de industrie
Zoals eerder vermeld hebben aluminiumlegeringen een aantal wenselijke eigenschappen. Daarom zijn CNC-gefreesde aluminium onderdelen onmisbaar in verschillende industrieën, waaronder de volgende:
- LUCHT- EN RUIMTEVAART: vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding zijn verschillende vliegtuigfittingen gemaakt van machinaal bewerkt aluminium;
- Automobielsector: vergelijkbaar met de lucht- en ruimtevaartindustrie worden in de auto-industrie verschillende onderdelen zoals assen en andere componenten gemaakt van aluminium;
- Elektra : met een hoge elektrische geleidbaarheid worden CNC-gefreesde aluminium onderdelen vaak gebruikt als elektronische componenten in elektrische apparaten;
- Voedsel / farmaceutisch: omdat ze niet reageren met de meeste organische stoffen, spelen aluminium onderdelen een belangrijke rol in de voedings- en farmaceutische industrie;
- Sport: aluminium wordt vaak gebruikt voor het maken van sportartikelen zoals honkbalknuppels en sportfluitjes;
- Cryogenics: het vermogen van aluminium om zijn mechanische eigenschappen te behouden bij temperaturen onder het vriespunt, maakt aluminium onderdelen wenselijk voor cryogene toepassingen.