Aluminium for CNC-maskineringsmaterialer
Aluminium er et av de mest bearbeidede materialene som er tilgjengelige i dag. Faktisk er CNC-maskinering av aluminium nest etter stål når det gjelder utførelsesfrekvens. Dette skyldes hovedsakelig den utmerkede maskineringsevnen.
I sin reneste form er det kjemiske grunnstoffet aluminium mykt, duktilt, ikke-magnetisk og sølvhvitt i utseende. Grunnstoffet brukes imidlertid ikke bare i ren form. Aluminium legeres vanligvis med forskjellige grunnstoffer som mangan, kobber og magnesium for å danne hundrevis av aluminiumlegeringer med forskjellige betydelig forbedrede egenskaper.
Denne artikkelen utforsker prosessene, verktøyene, parameterne og utfordringene involvert i CNC-maskinering av aluminium og dets legeringer. Den diskuterer også egenskapene til aluminium, de mest populære legeringene som brukes i CNC-maskinering, samt aluminiums anvendelser i ulike bransjer.
bearbeidings
Aluminium formes, bearbeides og maskineres lett ved hjelp av en rekke prosesser. Det kan raskt og enkelt skjæres med maskinverktøy fordi det er mykt og lett flises av. Det er også billigere og krever mindre kraft å maskinere enn stål. Disse egenskapene er til store fordeler for både maskinisten og kunden som bestiller delen. Videre betyr aluminiums gode maskinbarhet at det deformeres mindre under maskinering. Dette fører til høyere nøyaktighet ettersom det lar CNC-maskiner oppnå høyere toleranser.
Styrke-til-vekt-forhold
Aluminium har omtrent en tredjedel av tettheten til stål. Dette gjør det relativt lett. Til tross for sin lave vekt har aluminium svært høy styrke. Denne kombinasjonen av styrke og lett vekt beskrives som materialenes styrke-til-vekt-forhold. Aluminiums høye styrke-til-vekt-forhold gjør det gunstig for deler som kreves i flere bransjer, som bil- og luftfartsindustrien.
Korrosjon Resistance
Aluminium er ripebestandig og korrosjonsbestandig under vanlige marine og atmosfæriske forhold. Du kan forbedre disse egenskapene ved å anodisere. Det er viktig å merke seg at korrosjonsbestandigheten varierer i forskjellige aluminiumskvaliteter. De mest CNC-maskinerte kvalitetene har imidlertid størst motstand.
Ytelse ved lave temperaturer
De fleste materialer har en tendens til å miste noen av sine ønskelige egenskaper ved temperaturer under null. For eksempel blir både karbonstål og gummi sprø ved lave temperaturer. Aluminium beholder på sin side sin mykhet, duktilitet og styrke ved svært lave temperaturer.
Elektrisk Strømføringsevne
Den elektriske ledningsevnen til ren aluminium er omtrent 37.7 millioner siemens per meter ved romtemperatur. Selv om aluminiumslegeringer kan ha lavere ledningsevne enn ren aluminium, er de ledende nok til at delene deres kan brukes i elektriske komponenter. På den annen side ville aluminium være et uegnet materiale hvis elektrisk ledningsevne ikke er en ønskelig egenskap for en maskinert del.
resirkulerbarhet
Siden det er en subtraktiv produksjonsprosess, genererer CNC-maskineringsprosesser et stort antall spon, som er avfallsmaterialer. Aluminium er svært resirkulerbart, noe som betyr at det krever relativt lite energi, innsats og kostnader å resirkulere. Dette gjør det å foretrekke for de som ønsker å få tilbake utgifter eller redusere materialsvinn. Det gjør også aluminium til et mer miljøvennlig materiale å maskinere.
Anodiseringspotensial
Anodisering, som er en overflatebehandlingsprosedyre som øker slitasje- og korrosjonsmotstanden til et materiale, er enkel å oppnå i aluminium. Denne prosessen gjør det også enklere å tilføre farge til maskinerte aluminiumsdeler.
Populære aluminiumslegeringer for CNC-bearbeiding
Fra vår erfaring hos Xometry er følgende 5 aluminiumskvaliteter blant de mest brukte for CNC-maskinering.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternative betegnelser: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Denne aluminiumlegeringen har kobber som hovedlegeringselement (4–5 %). Det er en kortsponet legering som er slitesterk, lett, svært funksjonell og har de samme høye mekaniske egenskapene som AW 2030. Den er også egnet for gjenging, varmebehandling og høyhastighetsmaskinering. Alle disse egenskapene gjør EN AW 2007 mye brukt i produksjon av maskindeler, bolter, nagler, muttere, skruer og gjengestenger. Denne aluminiumskvaliteten har imidlertid lav sveisbarhet og lav korrosjonsbestandighet, derfor anbefales det å utføre beskyttende anodisering etter maskinering av deler.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternative betegnelser: 3.3547; Legering 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 er kjent for sin utmerkede ytelse i tøffe miljøer. Den inneholder magnesium og små spor av krom og mangan. Denne typen har svært høy korrosjonsbestandighet i både kjemiske og marine miljøer. Av alle ikke-varmebehandlebare legeringer har AW 5080 den høyeste styrken; en egenskap som den beholder selv etter sveising. Selv om denne legeringen ikke bør brukes i applikasjoner med temperaturer høyere enn 65 °C, utmerker den seg i applikasjoner med lave temperaturer.
På grunn av sine mange ønskelige egenskaper brukes AW 5080 i en rekke bruksområder, inkludert kryogenisk utstyr, marine applikasjoner, trykkutstyr, kjemiske applikasjoner, sveisede konstruksjoner og kjøretøykarosserier.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternative betegnelser: 3.3535; Legering 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
AW 5754 er en smidd aluminium-magnesiumlegering med den høyeste prosentandelen aluminium, og kan derfor valses, smies og ekstruderes. Den er heller ikke varmebehandlet og kan kaldbearbeides for å øke styrken, men med lavere duktilitet. I tillegg har denne legeringen utmerket korrosjonsbestandighet og høy styrke. Med tanke på disse egenskapene er det forståelig at AW 5754 er en av de mest populære CNC-maskinerte aluminiumskvalitetene. Den brukes vanligvis i sveisede konstruksjoner, gulvapplikasjoner, fiskeutstyr, kjøretøykarosserier, matforedling og nagler.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternative betegnelser: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Dette er en smidd aluminiumlegering som inneholder magnesium og silisium. Den er varmebehandlebar og har gjennomsnittlig styrke, god sveiseevne og god formbarhet. Den er også svært korrosjonsbestandig, en egenskap som kan forbedres ytterligere gjennom anodisering. EN AW 6060 brukes ofte i konstruksjon, næringsmiddelforedling, medisinsk utstyr og bilteknikk.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternative betegnelser: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Sink er det primære legeringselementet i denne aluminiumskvaliteten. Selv om EN AW 7075 har gjennomsnittlig maskinbearbeidbarhet, dårlige kaldformingsegenskaper og ikke er egnet for både sveising og lodding, har den et høyt styrke-til-tetthetsforhold, utmerket motstand mot atmosfæriske og marine miljøer, og en styrke som er sammenlignbar med noen stållegeringer. Denne legeringen brukes i et svært bredt spekter av bruksområder, inkludert hangglider- og sykkelrammer, klatreutstyr, våpen og produksjon av støpeverktøy.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternative betegnelser: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Denne legeringen inneholder magnesium og silisium som de viktigste legeringselementene med spormengder av kobber. Med en strekkfasthet på 180 MPa er dette en høyfast legering og er svært egnet for høyt belastede konstruksjoner som stillaser, jernbanevogner, maskin- og luftfartsdeler.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternative betegnelser: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Denne legeringen, som vanligvis dannes ved valsing og ekstrudering, har middels styrke med svært god sveisbarhet og varmeledningsevne. Den har høy motstand mot spenningskorrosjonssprekker. Den har en strekkfasthet som varierer fra 140–330 MPa. Den er mye brukt i offshore-konstruksjon og containere.
CNC-bearbeidingsprosesser i aluminium
Du kan maskinere aluminium med en rekke av CNC-maskineringsprosessene som er tilgjengelige i dag. Noen av disse prosessene er som følger.
CNC Turning
I CNC-dreieoperasjoner roterer arbeidsstykket, mens ettpunktsskjæreverktøyet forblir stasjonært langs aksen. Avhengig av maskinen utfører enten arbeidsstykket eller skjæreverktøyet matebevegelse mot det andre for å oppnå materialfjerning.
CNC fresing
CNC-freseoperasjoner er de vanligste metodene for maskinering av aluminiumsdeler. Disse operasjonene involverer rotasjon av et flerpunktsskjær langs aksen, mens arbeidsstykket forblir stasjonært langs sin egen akse. Skjærebevegelsen og den påfølgende materialfjerningen oppnås ved matebevegelsen til enten arbeidsstykket, skjæreverktøyet eller begge kombinert. Denne bevegelsen kan utføres langs flere akser.
senke
Lommefresing, også kjent som lommefresing, er en form for CNC-fresing der en hul lomme maskineres i en del.
Vendt
Planfresing i maskinering innebærer å lage et flatt tverrsnittsareal på overflaten av et arbeidsstykke gjennom enten plandreiing eller planfresing.
CNC boring
CNC-boring er prosessen med å lage et hull i et arbeidsstykke. I denne operasjonen beveger et roterende flerpunktsskjæreverktøy av en bestemt størrelse seg i en rett linje vinkelrett på overflaten som skal bores, og skaper dermed effektivt et hull.
Verktøy for maskinering av aluminium
Det er flere faktorer som påvirker valget av verktøy for CNC-maskinering av aluminium.
Verktøydesign
Det finnes ulike aspekter ved en verktøygeometri som bidrar til effektiviteten ved maskinering av aluminium. En av disse er antallet rifter. For å forhindre problemer med sponavgang ved høye hastigheter, bør skjæreverktøy for CNC-maskinering av aluminium ha 2–3 rifter. Et høyere antall rifter resulterer i mindre spondaler. Dette vil føre til at de store sponene produsert av aluminiumslegeringer setter seg fast. Når skjærekreftene er lave og sponklaringen er kritisk for prosessen, bør du bruke 2 rifter. For en perfekt balanse mellom sponklaring og verktøystyrke, bruk 3 rifter.
Helix vinkel
Helixvinkelen er vinkelen mellom senterlinjen til et verktøy og en rett linjetangent langs skjærekanten. Det er en viktig egenskap ved skjæreverktøy. Mens en høyere helixvinkel fjerner spon fra en del raskere, øker den friksjonen og varmen under skjæring. Dette kan føre til at sponene sveises til verktøyoverflaten under høyhastighets CNC-maskinering av aluminium. En lavere helixvinkel produserer derimot mindre varme, men fjerner kanskje ikke spon effektivt. For maskinering av aluminium er en helixvinkel på 35° eller 40° egnet for grovbearbeiding, mens en helixvinkel på 45° er best for finbearbeiding.
Klareringsvinkel
Klaringsvinkel er en annen viktig faktor for at et verktøy skal fungere ordentlig. En for stor vinkel vil føre til at verktøyet graver seg inn i arbeidsstykket og vibrerer. På den annen side vil en for liten vinkel forårsake friksjon mellom verktøyet og arbeidsstykket. Klaringsvinkler mellom 6° og 10° er best for CNC-maskinering av aluminium.
Verktøymateriale
Karbid er det foretrukne materialet for skjæreverktøy som brukes i CNC-maskinering av aluminium. Fordi aluminium er mykt skjærende, er det viktigste i et skjæreverktøy for aluminium ikke hardhet, men evnen til å beholde en sylskarp kant. Denne evnen finnes i karbidverktøy, og den avhenger av to faktorer: karbidkornstørrelse og bindemiddelforhold. Mens en større kornstørrelse resulterer i hardere materiale, garanterer en mindre kornstørrelse et tøffere og mer slagfast materiale, som faktisk er den egenskapen vi trenger. Mindre korn krever kobolt for å oppnå den fine kornstrukturen og materialets styrke.
Kobolt reagerer imidlertid med aluminium ved høye temperaturer og danner en oppbygd kant av aluminium på verktøyoverflaten. Nøkkelen er å bruke et hardmetallverktøy med riktig mengde kobolt (2–20 %) for å minimere denne reaksjonen, samtidig som den nødvendige styrken opprettholdes. Hardmetallverktøy tåler vanligvis de høye hastighetene som er forbundet med CNC-maskinering av aluminium bedre enn stålverktøy.
I tillegg til verktøymaterialet er verktøybelegg en viktig faktor for verktøyets skjæreeffektivitet. ZrN (zirkoniumnitrid), TiB2 (titandiborid) og diamantlignende belegg er noen passende belegg for verktøy som brukes i CNC-maskinering av aluminium.
Mater og hastigheter
Skjærehastighet er hastigheten som skjæreverktøyet roterer med. Aluminium tåler svært høy skjærehastighet, derfor er skjærehastigheten for aluminiumslegeringer avhengig av begrensningene til maskinen som brukes. Hastigheten bør være så høy som praktisk mulig ved CNC-maskinering av aluminium, da dette reduserer muligheten for dannelse av oppbygde kanter, sparer tid, minimerer temperaturøkning i delen, forbedrer sponbrudd og forbedrer etterbehandlingen. Den nøyaktige hastigheten som brukes varierer avhengig av aluminiumslegeringen og verktøydiameteren.
Matingshastigheten er avstanden arbeidsstykket eller verktøyet beveger seg per omdreining av verktøyet. Matingen som brukes avhenger av ønsket finish, arbeidsstykkets styrke og stivhet. Grovkutt krever en mating på 0.15 til 2.03 mm/omdreining, mens finsnitt krever en mating på 0.05 til 0.15 mm/omdreining.
Skjærevæske
Til tross for at det er maskinbart, må du aldri skjære aluminium tørt, da dette fremmer dannelsen av oppbygde kanter. Egnede skjærevæsker for CNC-maskinering av aluminium er løselige oljeemulsjoner og mineraloljer. Unngå skjærevæsker som inneholder klor eller aktivt svovel, da disse elementene farger aluminium.
Etterbearbeidingsprosesser
Etter maskinering av en aluminiumsdel er det visse prosesser du kan utføre for å forbedre delens fysiske, mekaniske og estetiske egenskaper. De vanligste prosessene er som følger.
Perle- og sandblåsing
Glasskuleblåsing er en etterbehandlingsprosess for estetiske formål. I denne prosessen blåses den maskinerte delen med små glasskuler ved hjelp av en høytrykksluftpistol, noe som effektivt fjerner materiale og sikrer en glatt overflate. Det gir aluminium en sateng- eller matt finish. De viktigste prosessparametrene for glasskuleblåsing er størrelsen på glasskulene og mengden lufttrykk som brukes. Bruk kun denne prosessen når dimensjonstoleransene til en del ikke er kritiske.
Andre etterbehandlingsprosesser inkluderer polering og maling.
Coating
Dette innebærer å belegge en aluminiumsdel med et annet materiale som sink, nikkel og krom. Dette gjøres for å forbedre delenes prosesser og kan oppnås gjennom elektrokjemiske prosesser.
Anodisering
Anodisering er en elektrokjemisk prosess der en aluminiumsdel dyppes i en løsning av fortynnet svovelsyre, og en elektrisk spenning påføres over katoden og anoden. Denne prosessen omdanner effektivt de eksponerte overflatene på delen til et hardt, elektrisk ikke-reaktivt aluminiumoksidbelegg. Tettheten og tykkelsen på belegget som dannes, avhenger av løsningens konsistens, anodiseringstiden og den elektriske strømmen. Du kan også utføre anodisering for å farge en del.
Pulverlakkering
Pulverlakkeringsprosessen innebærer å belegge en del med farget polymerpulver ved hjelp av en elektrostatisk sprøytepistol. Delen får deretter herde ved en temperatur på 200 °C. Pulverlakkering forbedrer styrke og motstand mot slitasje, korrosjon og støt.
Varmebehandling
Deler laget av varmebehandlebare aluminiumslegeringer kan gjennomgå varmebehandling for å forbedre sine mekaniske egenskaper.
Anvendelser av CNC-maskinerte aluminiumsdeler i industrien
Som nevnt tidligere har aluminiumslegeringer en rekke ønskelige egenskaper. Derfor er CNC-maskinerte aluminiumsdeler uunnværlige i flere bransjer, inkludert følgende:
- AerospacePå grunn av det høye forholdet mellom styrke og vekt er flere flybeslag laget av maskinert aluminium;
- BilerI likhet med luftfartsindustrien er flere deler som aksler og andre komponenter i bilindustrien laget av aluminium;
- ElektriskCNC-maskinerte aluminiumsdeler har høy elektrisk ledningsevne og brukes ofte som elektroniske komponenter i elektriske apparater;
- Mat/FarmasiFordi de ikke reagerer med de fleste organiske stoffer, spiller aluminiumsdeler en viktig rolle i næringsmiddel- og farmasøytisk industri;
- SportsAluminium brukes ofte til å lage sportsutstyr som baseballkøller og sportsfløyter;
- cryogenicsAluminiums evne til å beholde sine mekaniske egenskaper ved temperaturer under null, gjør aluminiumsdeler attraktive for kryogene applikasjoner.