Алюминий для обработки на станках с ЧПУ.
Алюминий — один из наиболее обрабатываемых материалов на сегодняшний день. Фактически, по частоте применения процессы обработки алюминия на станках с ЧПУ занимают второе место после стали. В основном это объясняется его превосходной обрабатываемостью.
В чистом виде химический элемент алюминий мягкий, пластичный, немагнитный и имеет серебристо-белый цвет. Однако этот элемент используется не только в чистом виде. Алюминий обычно сплавляют с различными элементами, такими как марганец, медь и магний, образуя сотни алюминиевых сплавов со значительно улучшенными свойствами.
В данной статье рассматриваются процессы, инструменты, параметры и проблемы, связанные с обработкой алюминия и его сплавов на станках с ЧПУ. Также обсуждаются свойства алюминия, наиболее популярных сплавов, используемых в обработке на станках с ЧПУ, а также применение алюминия в различных отраслях промышленности.
Machinability
Алюминий легко поддается формовке, обработке и механической обработке с использованием различных процессов. Благодаря своей мягкости и склонности к скалынию, он быстро и легко режется на станках. Кроме того, он дешевле и требует меньше энергии для обработки, чем сталь. Эти характеристики являются огромным преимуществом как для токаря, так и для заказчика, заказывающего деталь. Более того, хорошая обрабатываемость алюминия означает меньшую деформацию во время обработки. Это приводит к повышению точности, поскольку позволяет станкам с ЧПУ достигать более высоких допусков.
Отношение прочности к весу
Плотность алюминия составляет примерно треть плотности стали. Это делает его относительно легким. Несмотря на свою легкость, алюминий обладает очень высокой прочностью. Это сочетание прочности и малого веса описывается как отношение прочности к весу материалов. Высокое отношение прочности к весу делает алюминий предпочтительным материалом для деталей, необходимых в различных отраслях промышленности, таких как автомобильная и аэрокосмическая.
Коррозионная стойкость
Алюминий устойчив к царапинам и коррозии в обычных морских и атмосферных условиях. Эти свойства можно улучшить с помощью анодирования. Важно отметить, что коррозионная стойкость различается у разных марок алюминия. Однако наиболее часто обрабатываемые на станках с ЧПУ марки обладают наибольшей устойчивостью.
Производительность при низких температурах
Большинство материалов склонны терять некоторые из своих желаемых свойств при отрицательных температурах. Например, углеродистая сталь и резина становятся хрупкими при низких температурах. Алюминий, в свою очередь, сохраняет свою мягкость, пластичность и прочность при очень низких температурах.
Электрическая проводимость
Электропроводность чистого алюминия составляет около 37.7 миллионов сименсов на метр при комнатной температуре. Хотя алюминиевые сплавы могут иметь более низкую электропроводность, чем чистый алюминий, они достаточно электропроводны, чтобы их детали могли использоваться в электрических компонентах. С другой стороны, алюминий был бы неподходящим материалом, если электропроводность не является желательной характеристикой обрабатываемой детали.
Рециркуляции
Поскольку обработка на станках с ЧПУ — это процесс, требующий удаления лишнего материала, он генерирует большое количество стружки, которая является отходами. Алюминий хорошо поддается переработке, что означает, что для его переработки требуется относительно мало энергии, усилий и затрат. Это делает его предпочтительным для тех, кто хочет окупить затраты или сократить отходы материала. Кроме того, это делает алюминий более экологичным материалом для обработки.
Потенциал анодирования
Анодирование, представляющее собой процедуру обработки поверхности, повышающую износостойкость и коррозионную стойкость материала, легко осуществимо для алюминия. Этот процесс также упрощает окрашивание обработанных алюминиевых деталей.
Популярные алюминиевые сплавы для обработки на станках с ЧПУ
Наш опыт в компании Xometry показывает, что следующие 5 марок алюминия являются одними из наиболее часто используемых для обработки на станках с ЧПУ.
EN AW-2007/3.1645/АлКуМгПб
Альтернативные обозначения: 3.1645; ЕН 573-3; AlCu4PbMgMn.
Этот алюминиевый сплав имеет медь в качестве основного легирующего элемента (4-5%) меди. Это сплав с короткой стружкой, прочный, легкий, высокофункциональный и имеющий такие же высокие механические свойства, как и AW 2030. Он также подходит для нарезания резьбы, термообработки и высокоскоростной обработки. Все эти свойства делают EN AW 2007 широко используемым при производстве деталей машин, болтов, заклепок, гаек, винтов и стержней с резьбой. Однако эта марка алюминия имеет низкую свариваемость и низкую коррозионную стойкость; поэтому после обработки детали рекомендуется проводить защитное анодирование.
EN AW-5083/3.3547/Al-Mg4,5Mn
Альтернативные обозначения: 3.3547; Сплав 5083; ЕН 573-3; УНС А95083; АСТМ Б209; АлМг4.5Мн0.7
AW 5083 известен своими превосходными характеристиками в суровых условиях. Он содержит магний и небольшие количества хрома и марганца. Этот сорт обладает очень высокой устойчивостью к коррозии как в химической, так и в морской среде. Из всех нетермообрабатываемых сплавов AW 5080 обладает самой высокой прочностью; свойство, которое он сохраняет даже после сварки. Хотя этот сплав не следует использовать при температурах выше 65°C, он превосходно работает при низких температурах.
Благодаря набору полезных свойств AW 5080 используется во многих областях применения, включая криогенное оборудование, морское оборудование, оборудование под давлением, химическую промышленность, сварные конструкции и кузова транспортных средств.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Альтернативные обозначения: 3.3535; Сплав 5754; ЕН 573-3; У21НС А95754; АСТМ Б 209; Аль-Мг3.
Будучи деформируемым алюминиево-магниевым сплавом с наибольшим содержанием алюминия, AW 5754 можно прокатывать, ковать и экструдировать. Он также не подлежит термической обработке и может подвергаться холодной обработке для увеличения прочности, но при более низкой пластичности. Кроме того, этот сплав обладает отличной устойчивостью к коррозии и обладает высокой прочностью. Учитывая эти свойства, становится понятно, что AW 5754 — одна из самых популярных марок алюминия, обрабатываемого на станках с ЧПУ. Обычно он используется в сварных конструкциях, напольных покрытиях, рыболовном снаряжении, кузовах транспортных средств, пищевой промышленности и заклепках.
EN AW-6060/3.3206/Ал-МгСи
Альтернативные обозначения: 3.3206; ИСО 6361; УНС А96060; АСТМ Б 221; AlMgSi0,5
Это деформируемый алюминиевый сплав, содержащий магний и кремний. Он поддается термической обработке, имеет среднюю прочность, хорошую свариваемость и хорошую формуемость. Он также обладает высокой устойчивостью к коррозии; свойство, которое можно еще улучшить за счет анодирования. EN AW 6060 часто используется в строительстве, пищевой промышленности, медицинском оборудовании и автомобилестроении.
EN AW-7075/3.4365/Ал-Zn6MgCu
Альтернативные обозначения: 3.4365; УНС А96082; Н30; Al-Zn6MgCu.
Цинк является основным легирующим элементом в этой марке алюминия. Хотя EN AW 7075 имеет среднюю обрабатываемость, плохие свойства холодной штамповки и не пригоден ни для сварки, ни для пайки; он имеет высокое соотношение прочности и плотности, отличную устойчивость к атмосферным и морским средам, а также прочность, сравнимую с некоторыми стальными сплавами. Этот сплав используется в очень широком спектре применений, включая рамы дельтапланов и велосипедов, снаряжение для скалолазания, вооружение и производство пресс-форм.
EN AW-6061/3.3211/Al-Mg1SiCu
Альтернативные обозначения: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Этот сплав содержит магний и кремний в качестве основных легирующих элементов, а также следовые количества меди. Обладая пределом прочности 180 МПа, этот высокопрочный сплав очень подходит для высоконагруженных конструкций, таких как строительные леса, железнодорожные вагоны, детали машин и аэрокосмической техники.
EN AW-6082/3.2315/Ал-Си1Мг
Альтернативные обозначения: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Обычно этот сплав изготавливается путем прокатки и экструзии. Он имеет среднюю прочность, очень хорошую свариваемость и теплопроводность. Обладает высокой стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением. Он имеет предел прочности на разрыв от 140 до 330 МПа. Он широко используется в морском строительстве и контейнерах.
Процессы обработки алюминия на станках с ЧПУ
Вы можете обрабатывать алюминий с помощью ряда доступных сегодня процессов обработки с ЧПУ. Некоторые из этих процессов заключаются в следующем.
Токарная обработка с ЧПУ
При токарной обработке на станках с ЧПУ заготовка вращается, в то время как одноточечный режущий инструмент остается неподвижным вдоль своей оси. В зависимости от станка, подача для удаления материала осуществляется либо заготовкой, либо режущим инструментом.
Фрезерные
Фрезерование на станках с ЧПУ — наиболее распространенный метод обработки алюминиевых деталей. В ходе этих операций происходит вращение многоточечного режущего инструмента вокруг своей оси, в то время как заготовка остается неподвижной вокруг своей оси. Резание и последующее удаление материала осуществляется путем подачи заготовки, режущего инструмента или их комбинации. Это движение может осуществляться вдоль нескольких осей.
Кражи
Фрезерование карманов, также известное как фрезерование карманов, представляет собой форму фрезерования на станке с ЧПУ, при которой в детали обрабатывается полый карман.
Облицовочные
Торцевая обработка при механической обработке включает создание плоской площади поперечного сечения на поверхности заготовки посредством торцевого точения или торцевого фрезерования.
Сверление с ЧПУ
Сверление на станках с ЧПУ — это процесс создания отверстия в заготовке. В ходе этой операции многоточечный вращающийся режущий инструмент определенного размера перемещается по прямой линии, перпендикулярной сверлящейся поверхности, тем самым эффективно создавая отверстие.
Инструменты для обработки алюминия
На выбор инструмента для обработки алюминия на станках с ЧПУ влияет несколько факторов.
Дизайн инструмента
На эффективность обработки алюминия влияют различные параметры геометрии инструмента. Один из них — количество канавок. Для предотвращения затруднений при удалении стружки на высоких скоростях режущие инструменты для обработки алюминия на станках с ЧПУ должны иметь 2-3 канавки. Большее количество канавок приводит к уменьшению углублений для стружки. Это может привести к застреванию крупной стружки, образующейся при обработке алюминиевых сплавов. При низких силах резания и критически важном удалении стружки следует использовать 2 канавки. Для идеального баланса между удалением стружки и прочностью инструмента следует использовать 3 канавки.
Угол спирали
Угол спирали — это угол между центральной линией инструмента и прямой касательной вдоль режущей кромки. Это важная характеристика режущих инструментов. Хотя больший угол спирали быстрее удаляет стружку с детали, он увеличивает трение и нагрев во время резки. Это может привести к прилипанию стружки к поверхности инструмента при высокоскоростной обработке алюминия на станках с ЧПУ. Меньший угол спирали, с другой стороны, производит меньше тепла, но может неэффективно удалять стружку. Для обработки алюминия угол спирали 35° или 40° подходит для черновой обработки, а угол спирали 45° — для чистовой обработки.
Угол просвета
Угол зазора — ещё один важный фактор для правильной работы инструмента. Слишком большой угол приведёт к тому, что инструмент будет врезаться в заготовку и вибрировать. С другой стороны, слишком малый угол вызовет трение между инструментом и заготовкой. Для обработки алюминия на станках с ЧПУ оптимальными являются углы зазора от 6° до 10°.
Материал инструмента
Твердосплав является предпочтительным материалом для режущих инструментов, используемых при обработке алюминия на станках с ЧПУ. Поскольку алюминий — мягкий материал для резки, для режущего инструмента важна не твердость, а способность сохранять бритвенную остроту кромки. Эта способность присутствует у твердосплавных инструментов и зависит от двух факторов: размера зерна твердосплава и соотношения связующего вещества. В то время как больший размер зерна приводит к большей твердости материала, меньший размер зерна гарантирует более прочный и ударостойкий материал, что, собственно, и является необходимым свойством. Для достижения мелкозернистой структуры и прочности материала с меньшим размером зерна требуется кобальт.
Однако кобальт реагирует с алюминием при высоких температурах, образуя на поверхности инструмента нарост из алюминия. Ключевым моментом является использование твердосплавного инструмента с правильным содержанием кобальта (2-20%), чтобы минимизировать эту реакцию, сохраняя при этом необходимую прочность. Твердосплавные инструменты, как правило, лучше, чем стальные, выдерживают высокие скорости, характерные для обработки алюминия на станках с ЧПУ.
Помимо материала инструмента, важным фактором эффективности резания является его покрытие. Нитрид циркония (ZrN), диборид титана (TiB2) и алмазоподобные покрытия являются подходящими для инструментов, используемых при обработке алюминия на станках с ЧПУ.
Подачи и скорости
Скорость резания — это скорость вращения режущего инструмента. Алюминий выдерживает очень высокие скорости резания, поэтому скорость резания для алюминиевых сплавов зависит от возможностей используемого станка. При обработке алюминия на станках с ЧПУ скорость должна быть максимально высокой, поскольку это снижает вероятность образования наростов, экономит время, минимизирует повышение температуры детали, улучшает измельчение стружки и повышает качество обработки. Точная используемая скорость зависит от типа алюминиевого сплава и диаметра инструмента.
Подача — это расстояние, на которое перемещается заготовка или инструмент за один оборот. Используемая подача зависит от желаемой чистоты обработки, прочности и жесткости заготовки. Для черновой обработки требуется подача от 0.15 до 2.03 мм/оборот, а для чистовой — от 0.05 до 0.15 мм/оборот.
Смазочно-охлаждающая жидкость
Несмотря на обрабатываемость алюминия, никогда не следует резать его всухую, так как это способствует образованию наростов на кромках. Подходящими смазочно-охлаждающими жидкостями для обработки алюминия на станках с ЧПУ являются эмульсии растворимых масел и минеральные масла. Избегайте смазочно-охлаждающих жидкостей, содержащих хлор или активную серу, поскольку эти элементы вызывают окрашивание алюминия.
Процессы постобработки
После обработки алюминиевой детали можно выполнить определенные процессы, чтобы улучшить физические, механические и эстетические характеристики детали. Наиболее распространены следующие процессы.
Дробеструйная и пескоструйная обработка
Дробеструйная обработка – это отделочный процесс в эстетических целях. В этом процессе обработанная деталь подвергается пескоструйной обработке крошечными стеклянными шариками с помощью пневматического пистолета под высоким давлением, что позволяет эффективно удалять материал и обеспечивать гладкую поверхность. Придает алюминию сатиновый или матовый оттенок. Основными параметрами процесса дробеструйной обработки являются размер стеклянных шариков и количество используемого давления воздуха. Используйте этот процесс только в том случае, если допуски на размеры детали не являются критическими.
Другие процессы отделки включают полировку и покраску.
Покрытие
Это предполагает покрытие алюминиевой детали другим материалом, например цинком, никелем и хромом. Это делается для улучшения процессов изготовления деталей и может быть достигнуто с помощью электрохимических процессов.
Анодирование
Анодирование — это электрохимический процесс, при котором алюминиевую деталь погружают в раствор разбавленной серной кислоты и прикладывают электрическое напряжение к катоду и аноду. Этот процесс эффективно преобразует открытые поверхности детали в твердое, электрически нереактивное покрытие из оксида алюминия. Плотность и толщина создаваемого покрытия зависят от консистенции раствора, времени анодирования и силы электрического тока. Вы также можете выполнить анодирование для окраски детали.
Порошковое покрытие
Процесс порошковой покраски включает в себя покрытие детали цветным полимерным порошком с использованием электростатического краскопульта. Затем деталь оставляют отверждаться при температуре 200°C. Порошковое покрытие повышает прочность и устойчивость к износу, коррозии и ударам.
Термическая обработка
Детали из термообрабатываемых алюминиевых сплавов могут подвергаться термической обработке для улучшения механических свойств.
Применение алюминиевых деталей, изготовленных на станках с ЧПУ, в промышленности.
Как говорилось ранее, алюминиевые сплавы обладают рядом желательных свойств. Следовательно, алюминиевые детали, обработанные на станках с ЧПУ, незаменимы в нескольких отраслях, в том числе в следующих:
- Аэрокосмическая индустрия: из-за высокого соотношения прочности и веса некоторые авиационные детали изготавливаются из обработанного алюминия;
- Автомобильная: как и в аэрокосмической промышленности, некоторые детали, такие как валы и другие компоненты в автомобильной промышленности, изготавливаются из алюминия;
- Electrical : обладая высокой электропроводностью, алюминиевые детали, обработанные на станках с ЧПУ, часто используются в качестве электронных компонентов в электроприборах;
- Еда / Фармацевтика: поскольку алюминиевые детали не вступают в реакцию с большинством органических веществ, они играют важную роль в пищевой и фармацевтической промышленности;
- Спорт: алюминий часто используется для изготовления спортивного инвентаря, такого как бейсбольные биты и спортивные свистки;
- физика низких температур: способность алюминия сохранять свои механические свойства при минусовых температурах делает алюминиевые детали желательными для криогенных применений.