Materiały aluminiowe do obróbki CNC
Aluminium jest jednym z najczęściej obrabianych materiałów dostępnych obecnie na rynku. W rzeczywistości, obróbka CNC aluminium zajmuje drugie miejsce po stali pod względem częstotliwości wykonywania. Wynika to głównie z jego doskonałej obrabialności.
W najczystszej postaci pierwiastek chemiczny aluminium jest miękki, ciągliwy, niemagnetyczny i ma srebrzystobiały kolor. Jednak pierwiastek ten nie jest stosowany wyłącznie w czystej postaci. Aluminium jest zazwyczaj stapiane z różnymi pierwiastkami, takimi jak mangan, miedź i magnez, tworząc setki stopów aluminium o różnych, znacząco ulepszonych właściwościach.
W tym artykule omówiono procesy, narzędzia, parametry i wyzwania związane z obróbką CNC aluminium i jego stopów. Omówiono również właściwości aluminium, najpopularniejsze stopy stosowane w obróbce CNC, a także zastosowanie aluminium w różnych gałęziach przemysłu.
Skrawalność
Aluminium jest łatwe w obróbce plastycznej, obróbce i obróbce mechanicznej przy użyciu różnorodnych procesów. Można je szybko i łatwo ciąć za pomocą obrabiarek, ponieważ jest miękkie i łatwo się łuszczy. Jest również tańsze i wymaga mniejszej mocy do obróbki niż stal. Te cechy przynoszą ogromne korzyści zarówno operatorowi, jak i klientowi zamawiającemu część. Ponadto dobra obrabialność aluminium oznacza, że mniej się odkształca podczas obróbki. Przekłada się to na wyższą dokładność, ponieważ maszyny CNC umożliwiają osiągnięcie wyższych tolerancji.
Stosunek wytrzymałości do masy
Aluminium ma gęstość około jednej trzeciej gęstości stali. Dzięki temu jest stosunkowo lekkie. Pomimo swojej lekkości, aluminium charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością. To połączenie wytrzymałości i lekkości jest określane jako stosunek wytrzymałości do masy materiałów. Wysoki stosunek wytrzymałości do masy sprawia, że aluminium jest korzystne w przypadku części wykorzystywanych w wielu branżach, takich jak przemysł motoryzacyjny i lotniczy.
Odporność na korozję
Aluminium jest odporne na zarysowania i korozję w typowych warunkach morskich i atmosferycznych. Można je wzmocnić poprzez anodowanie. Należy pamiętać, że odporność na korozję różni się w zależności od gatunku aluminium. Jednak gatunki najczęściej obrabiane CNC charakteryzują się największą odpornością.
Wydajność w niskich temperaturach
Większość materiałów traci część swoich pożądanych właściwości w temperaturach poniżej zera. Na przykład, zarówno stale węglowe, jak i guma stają się kruche w niskich temperaturach. Aluminium z kolei zachowuje swoją miękkość, ciągliwość i wytrzymałość w bardzo niskich temperaturach.
Przewodnictwo elektryczne
Przewodność elektryczna czystego aluminium wynosi około 37.7 miliona simensów na metr w temperaturze pokojowej. Chociaż stopy aluminium mogą mieć niższą przewodność niż czyste aluminium, są wystarczająco przewodzące, aby ich części znalazły zastosowanie w podzespołach elektrycznych. Z drugiej strony, aluminium byłoby nieodpowiednim materiałem, jeśli przewodność elektryczna nie jest pożądaną cechą obrabianego elementu.
Recykling
Ponieważ jest to proces produkcyjny ubytkowy, obróbka CNC generuje dużą liczbę wiórów, które stanowią odpad. Aluminium w dużym stopniu nadaje się do recyklingu, co oznacza, że jego recykling wymaga stosunkowo niewielkiej energii, wysiłku i kosztów. To sprawia, że jest to materiał preferowany przez osoby, które chcą odzyskać wydatki lub ograniczyć marnotrawstwo materiałów. Sprawia to również, że obróbka aluminium jest bardziej przyjazna dla środowiska.
Potencjał anodowania
Anodowanie, czyli proces obróbki powierzchni, który zwiększa odporność materiału na zużycie i korozję, jest łatwy do przeprowadzenia w przypadku aluminium. Proces ten ułatwia również nadawanie koloru obrabianym mechanicznie elementom aluminiowym.
Popularne stopy aluminium do obróbki CNC
Z naszego doświadczenia w firmie Xometry wynika, że poniższe 5 gatunków aluminium jest najczęściej wykorzystywanych w obróbce CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Oznaczenia alternatywne: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Ten stop aluminium zawiera miedź jako główny składnik stopowy (4-5%). Jest to stop o krótkim wiórze, trwały, lekki, wysoce funkcjonalny i o takich samych wysokich właściwościach mechanicznych jak AW 2030. Nadaje się również do gwintowania, obróbki cieplnej i obróbki z dużą prędkością. Wszystkie te właściwości sprawiają, że EN AW 2007 jest szeroko stosowany w produkcji części maszyn, śrub, nitonakrętek, wkrętów i prętów gwintowanych. Jednak ten gatunek aluminium charakteryzuje się niską spawalnością i niską odpornością na korozję, dlatego zaleca się przeprowadzenie anodowania ochronnego po obróbce mechanicznej części.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Oznaczenia alternatywne: 3.3547; Stop 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 słynie z doskonałych właściwości w trudnych warunkach. Zawiera magnez oraz śladowe ilości chromu i manganu. Gatunek ten charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na korozję, zarówno w środowisku chemicznym, jak i morskim. Spośród wszystkich stopów niepodlegających obróbce cieplnej, AW 5080 charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością, którą zachowuje nawet po spawaniu. Chociaż stop ten nie powinien być stosowany w temperaturach powyżej 65°C, doskonale sprawdza się w zastosowaniach niskotemperaturowych.
Ze względu na szereg pożądanych właściwości AW 5080 jest używany w licznych zastosowaniach, m.in. w sprzęcie kriogenicznym, zastosowaniach morskich, urządzeniach ciśnieniowych, zastosowaniach chemicznych, konstrukcjach spawanych i nadwoziach pojazdów.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Oznaczenia alternatywne: 3.3535; Stop 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Jako przetworzony plastycznie stop aluminium i magnezu o najwyższej zawartości aluminium, AW 5754 może być walcowany, kuty i wytłaczany. Nie jest on również poddawany obróbce cieplnej i można go obrabiać plastycznie na zimno w celu zwiększenia wytrzymałości, ale przy niższej ciągliwości. Ponadto stop ten charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję i wysoką wytrzymałością. Biorąc pod uwagę te właściwości, zrozumiałe jest, że AW 5754 jest jednym z najpopularniejszych gatunków aluminium obrabianych CNC. Jest on zazwyczaj stosowany w konstrukcjach spawanych, podłogach, sprzęcie wędkarskim, nadwoziach pojazdów, przetwórstwie żywności i nitach.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Oznaczenia alternatywne: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
To stop aluminium do obróbki plastycznej zawierający magnez i krzem. Jest podatny na obróbkę cieplną i charakteryzuje się średnią wytrzymałością, dobrą spawalnością i dobrą formowalnością. Jest również wysoce odporny na korozję, a tę właściwość można dodatkowo poprawić poprzez anodowanie. EN AW 6060 jest często stosowany w budownictwie, przetwórstwie spożywczym, sprzęcie medycznym i motoryzacji.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Oznaczenia alternatywne: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Cynk jest głównym składnikiem stopowym w tym gatunku aluminium. Chociaż EN AW 7075 charakteryzuje się przeciętną obrabialnością skrawaniem, słabymi właściwościami formowania na zimno i nie nadaje się zarówno do spawania, jak i lutowania, charakteryzuje się wysokim stosunkiem wytrzymałości do gęstości, doskonałą odpornością na warunki atmosferyczne i morskie oraz wytrzymałością porównywalną z niektórymi stopami stali. Stop ten jest wykorzystywany w bardzo szerokim zakresie zastosowań, w tym w ramach lotni i rowerów, sprzęcie wspinaczkowym, broni oraz produkcji narzędzi formujących.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Oznaczenia alternatywne: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Ten stop zawiera magnez i krzem jako główne składniki stopowe oraz śladowe ilości miedzi. Przy wytrzymałości na rozciąganie 180 MPa, jest to stop o wysokiej wytrzymałości, doskonale nadający się do konstrukcji poddawanych dużym obciążeniom, takich jak rusztowania, wagony kolejowe, części maszyn i urządzeń lotniczych.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Oznaczenia alternatywne: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Stop ten, formowany zazwyczaj metodą walcowania i wytłaczania, charakteryzuje się średnią wytrzymałością, bardzo dobrą spawalnością i przewodnością cieplną. Charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję naprężeniową. Jego wytrzymałość na rozciąganie mieści się w zakresie 140–330 MPa. Jest szeroko stosowany w budownictwie morskim i kontenerowym.
Procesy obróbki CNC aluminium
Aluminium można obrabiać za pomocą wielu dostępnych obecnie procesów obróbki CNC. Oto niektóre z nich:
Toczenie CNC
W toczeniu CNC przedmiot obrabiany obraca się, podczas gdy jednoostrzowe narzędzie skrawające pozostaje nieruchome wzdłuż swojej osi. W zależności od maszyny, przedmiot obrabiany lub narzędzie skrawające wykonuje ruch posuwowy w kierunku przeciwnym do siebie, aby usunąć materiał.
Frezowanie CNC
Frezowanie CNC jest najczęściej stosowanym procesem obróbki elementów aluminiowych. Operacje te polegają na obrocie wielopunktowego ostrza wzdłuż jego osi, podczas gdy przedmiot obrabiany pozostaje nieruchomy wzdłuż własnej osi. Skrawanie, a następnie usuwanie materiału, odbywa się poprzez ruch posuwowy przedmiotu obrabianego, narzędzia skrawającego lub obu tych elementów jednocześnie. Ruch ten może być realizowany wzdłuż wielu osi.
Pheteting
Frezowanie kieszeniowe, znane również jako frezowanie kieszeniowe, jest formą frezowania CNC, w której w części wytwarzana jest kieszeń pusta.
Facing
Planowanie w obróbce skrawaniem polega na wytworzeniu płaskiej powierzchni przekroju poprzecznego na powierzchni przedmiotu obrabianego poprzez toczenie lub frezowanie czołowe.
Wiercenie CNC
Wiercenie CNC to proces wykonywania otworów w przedmiocie obrabianym. Podczas tej operacji wieloostrzowe, obrotowe narzędzie skrawające o określonej średnicy porusza się po linii prostej prostopadłej do wierconej powierzchni, tworząc w ten sposób otwór.
Narzędzia do obróbki aluminium
Na wybór narzędzia do obróbki CNC aluminium wpływa kilka czynników.
Projektowanie narzędzi
Istnieją różne aspekty geometrii narzędzia, które wpływają na jego wydajność w obróbce aluminium. Jednym z nich jest liczba ostrzy. Aby zapobiec trudnościom z odprowadzaniem wiórów przy dużych prędkościach, narzędzia skrawające do obróbki aluminium CNC powinny mieć 2-3 ostrza. Większa liczba ostrzy skutkuje mniejszymi zagłębieniami wiórowymi. Powoduje to zakleszczanie się dużych wiórów wytwarzanych przez stopy aluminium. Przy niskich siłach skrawania, a odstęp wiórowy ma kluczowe znaczenie dla procesu, należy zastosować 2 ostrza. Aby uzyskać idealną równowagę między odstępem wiórowym a wytrzymałością narzędzia, należy zastosować 3 ostrza.
Kąt helisy
Kąt pochylenia linii śrubowej to kąt między osią narzędzia a linią prostą styczną do krawędzi skrawającej. Jest to ważna cecha narzędzi skrawających. Chociaż większy kąt pochylenia linii śrubowej przyspiesza usuwanie wiórów z elementu, zwiększa tarcie i wydzielanie ciepła podczas skrawania. Może to powodować przywieranie wiórów do powierzchni narzędzia podczas obróbki aluminium CNC z dużą prędkością. Z drugiej strony, mniejszy kąt pochylenia linii śrubowej generuje mniej ciepła, ale może nie zapewniać skutecznego usuwania wiórów. Do obróbki zgrubnej aluminium odpowiedni jest kąt pochylenia linii śrubowej 35° lub 40°, natomiast kąt pochylenia linii śrubowej 45° jest najlepszy do obróbki wykańczającej.
Kąt prześwitu
Kąt przyłożenia to kolejny ważny czynnik wpływający na prawidłowe działanie narzędzia. Zbyt duży kąt powodowałby wbijanie się narzędzia w obrabiany materiał i drgania. Z kolei zbyt mały kąt powodowałby tarcie między narzędziem a obrabianym materiałem. Kąty przyłożenia między 6° a 10° są najlepsze do obróbki aluminium CNC.
Materiał narzędzia
Węglik spiekany jest preferowanym materiałem do produkcji narzędzi skrawających stosowanych w obróbce aluminium CNC. Ponieważ aluminium jest miękkie, w narzędziu skrawającym do aluminium liczy się nie twardość, ale zdolność do zachowania ostrej krawędzi. Zdolność ta występuje w narzędziach węglikowych i zależy od dwóch czynników: wielkości ziarna węglika i stosunku spoiwa. Większe ziarno skutkuje twardszym materiałem, natomiast mniejsze ziarno gwarantuje twardszy i bardziej odporny na uderzenia materiał, co jest w rzeczywistości właściwością, której potrzebujemy. Mniejsze ziarna wymagają kobaltu, aby uzyskać drobnoziarnistą strukturę i wytrzymałość materiału.
Jednak kobalt reaguje z aluminium w wysokich temperaturach, tworząc na powierzchni narzędzia narost aluminium. Kluczem jest użycie narzędzia węglikowego z odpowiednią zawartością kobaltu (2-20%), aby zminimalizować tę reakcję, zachowując jednocześnie wymaganą wytrzymałość. Narzędzia węglikowe zazwyczaj wytrzymują lepiej niż narzędzia stalowe wysokie prędkości związane z obróbką aluminium CNC.
Oprócz materiału narzędzia, powłoka narzędzia jest ważnym czynnikiem wpływającym na wydajność skrawania. Powłoki ZrN (azotek cyrkonu), TiB2 (dwuborek tytanu) i powłoki diamentowe to niektóre z odpowiednich powłok dla narzędzi stosowanych w obróbce CNC aluminium.
Posuwy i prędkości
Prędkość skrawania to prędkość, z jaką obraca się narzędzie skrawające. Aluminium może wytrzymać bardzo wysokie prędkości skrawania, dlatego prędkość skrawania stopów aluminium zależy od możliwości używanej maszyny. Prędkość powinna być tak wysoka, jak to możliwe w obróbce CNC aluminium, ponieważ zmniejsza to ryzyko tworzenia się narostów na krawędziach, oszczędza czas, minimalizuje wzrost temperatury detalu, poprawia łamanie wiórów i poprawia wykończenie. Dokładna prędkość zależy od stopu aluminium i średnicy narzędzia.
Prędkość posuwu to odległość, jaką pokonuje przedmiot obrabiany lub narzędzie na jeden obrót narzędzia. Zastosowany posuw zależy od pożądanego wykończenia, wytrzymałości i sztywności przedmiotu obrabianego. Cięcie zgrubne wymaga posuwu od 0.15 do 2.03 mm/obr., a cięcie wykańczające – od 0.05 do 0.15 mm/obr.
Płyn do cięcia
Pomimo możliwości obróbki mechanicznej, nigdy nie tnij aluminium na sucho, ponieważ sprzyja to tworzeniu się narostów na krawędziach. Odpowiednimi płynami obróbkowymi do obróbki aluminium CNC są emulsje olejowe rozpuszczalne w wodzie oraz oleje mineralne. Unikaj płynów obróbkowych zawierających chlor lub aktywną siarkę, ponieważ te pierwiastki plamią aluminium.
Procesy obróbki końcowej
Po obróbce mechanicznej elementu aluminiowego można wykonać pewne procesy w celu poprawy jego właściwości fizycznych, mechanicznych i estetycznych. Do najpopularniejszych procesów należą:
Śrutowanie i piaskowanie
Śrutowanie to proces wykończeniowy o charakterze estetycznym. W tym procesie obrobiony element jest śrutowany drobnymi szklanymi kulkami za pomocą pistoletu pneumatycznego pod wysokim ciśnieniem, co skutecznie usuwa materiał i zapewnia gładką powierzchnię. Nadaje aluminium satynowe lub matowe wykończenie. Głównymi parametrami procesu śrutowania są rozmiar szklanych kulek oraz ciśnienie powietrza. Stosuj tę metodę tylko wtedy, gdy tolerancje wymiarowe elementu nie mają krytycznego znaczenia.
Inne procesy wykończeniowe obejmują polerowanie i malowanie.
Powłoka
Polega ona na pokryciu elementu aluminiowego innym materiałem, takim jak cynk, nikiel i chrom. Ma to na celu usprawnienie procesów produkcji i może być osiągnięte poprzez procesy elektrochemiczne.
Anodowanie
Anodowanie to proces elektrochemiczny, w którym element aluminiowy zanurza się w roztworze rozcieńczonego kwasu siarkowego, a następnie do katody i anody przykłada się napięcie elektryczne. Proces ten skutecznie przekształca odsłonięte powierzchnie elementu w twardą, niereaktywną elektrycznie powłokę tlenku glinu. Gęstość i grubość utworzonej powłoki zależą od konsystencji roztworu, czasu anodowania oraz natężenia prądu. Anodowanie można również przeprowadzić w celu nadania kolorowego koloru elementowi.
Malowanie proszkowe
Proces malowania proszkowego polega na pokryciu elementu kolorowym proszkiem polimerowym za pomocą pistoletu natryskowego elektrostatycznego. Element jest następnie utwardzany w temperaturze 200°C. Malowanie proszkowe poprawia wytrzymałość i odporność na zużycie, korozję i uderzenia.
Obróbka cieplna
Części wykonane ze stopów aluminium nadających się do obróbki cieplnej można poddać obróbce cieplnej w celu poprawy ich właściwości mechanicznych.
Zastosowania obrabianych CNC części aluminiowych w przemyśle
Jak wspomniano wcześniej, stopy aluminium mają szereg pożądanych właściwości. Dlatego też elementy aluminiowe obrabiane CNC są niezbędne w wielu branżach, w tym:
- Lotnictwo:ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do masy, wiele elementów wyposażenia samolotów wykonuje się z obrabianego maszynowo aluminium;
- Motoryzacja:podobnie jak w przemyśle lotniczym, w przemyśle motoryzacyjnym wiele części, takich jak wały i inne komponenty, wykonuje się z aluminium;
- Electrical :mając wysoką przewodność elektryczną, części aluminiowe obrabiane CNC są często stosowane jako podzespoły elektroniczne w urządzeniach elektrycznych;
- Żywność/Farmaceutyka:ponieważ nie reagują z większością substancji organicznych, części aluminiowe odgrywają ważną rolę w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym;
- SPORTOWE:aluminium jest często wykorzystywane do produkcji sprzętu sportowego, np. kijów baseballowych i gwizdków sportowych;
- Kriogenics:zdolność aluminium do zachowania właściwości mechanicznych w temperaturach poniżej zera sprawia, że części aluminiowe są pożądane w zastosowaniach kriogenicznych.