Hliník pre CNC obrábanie materiálov
Hliník je jedným z najviac obrábaných materiálov, ktoré sú dnes k dispozícii. V skutočnosti sú procesy CNC obrábania hliníka druhým najčastejším obrábaním po oceli, čo sa týka frekvencie vykonávania. Je to najmä vďaka jeho vynikajúcej obrobiteľnosti.
V najčistejšej forme je chemický prvok hliník mäkký, tvárny, nemagnetický a striebornobiely. Tento prvok sa však nepoužíva iba v čistej forme. Hliník sa zvyčajne leguje s rôznymi prvkami, ako je mangán, meď a horčík, čím vznikajú stovky hliníkových zliatin s rôznymi výrazne zlepšenými vlastnosťami.
Tento článok skúma procesy, nástroje, parametre a výzvy spojené s CNC obrábaním hliníka a jeho zliatin. Taktiež sa zaoberá vlastnosťami hliníka, najobľúbenejších zliatin používaných pri CNC obrábaní, ako aj použitím hliníka v rôznych odvetviach.
obrobiteľnosť
Hliník sa ľahko tvaruje, opracúva a obrába rôznymi procesmi. Dá sa rýchlo a ľahko rezať obrábacími strojmi, pretože je mäkký a ľahko sa štiepi. Je tiež lacnejší a na obrábanie vyžaduje menej energie ako oceľ. Tieto vlastnosti sú obrovskými výhodami pre obrábača aj zákazníka, ktorý si diel objednáva. Okrem toho dobrá obrobiteľnosť hliníka znamená, že sa počas obrábania menej deformuje. To vedie k vyššej presnosti, pretože umožňuje CNC strojom dosiahnuť vyššie tolerancie.
Pomer sily a hmotnosti
Hliník má približne tretinovú hustotu oproti oceli. Vďaka tomu je relatívne ľahký. Napriek svojej nízkej hmotnosti má hliník veľmi vysokú pevnosť. Táto kombinácia pevnosti a nízkej hmotnosti sa opisuje ako pomer pevnosti k hmotnosti materiálov. Vysoký pomer pevnosti k hmotnosti hliníka ho robí vhodným pre súčiastky potrebné v niekoľkých odvetviach, ako je automobilový a letecký priemysel.
Odolnosť proti korózii
Hliník je odolný voči poškriabaniu a korózii v bežných morských a atmosférických podmienkach. Tieto vlastnosti môžete zlepšiť eloxovaním. Je dôležité poznamenať, že odolnosť voči korózii sa v rôznych druhoch hliníka líši. Najčastejšie CNC obrábané druhy však majú najväčšiu odolnosť.
Výkon pri nízkych teplotách
Väčšina materiálov má tendenciu strácať niektoré zo svojich žiaducich vlastností pri teplotách pod bodom mrazu. Napríklad uhlíkové ocele aj guma sa pri nízkych teplotách stávajú krehkými. Hliník si zase pri veľmi nízkych teplotách zachováva svoju mäkkosť, ťažnosť a pevnosť.
Elektrická vodivosť
Elektrická vodivosť čistého hliníka je pri izbovej teplote približne 37.7 milióna siemensov na meter. Hoci hliníkové zliatiny môžu mať nižšiu vodivosť ako čistý hliník, sú dostatočne vodivé na to, aby sa ich časti mohli použiť v elektrických súčiastkach. Na druhej strane, hliník by bol nevhodným materiálom, ak by elektrická vodivosť nebola požadovanou vlastnosťou obrábaného dielu.
Recyklovateľnosť
Keďže ide o subtraktívny výrobný proces, CNC obrábanie generuje veľké množstvo triesok, ktoré sú odpadovým materiálom. Hliník je vysoko recyklovateľný, čo znamená, že jeho recyklácia si vyžaduje relatívne málo energie, úsilia a nákladov. Vďaka tomu je výhodnejší pre tých, ktorí chcú získať späť výdavky alebo znížiť plytvanie materiálom. Hliník je tiež ekologickejším materiálom na obrábanie.
Potenciál eloxovania
Anodizácia, čo je proces povrchovej úpravy, ktorý zvyšuje odolnosť materiálu voči opotrebovaniu a korózii, sa v hliníku ľahko dosahuje. Tento proces tiež uľahčuje pridávanie farby na obrábané hliníkové diely.
Populárne hliníkové zliatiny pre CNC obrábanie
Z našich skúseností v spoločnosti Xometry vyplýva, že nasledujúcich 5 druhov hliníka je jedným z najčastejšie používaných na CNC obrábanie.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternatívne označenia: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Táto hliníková zliatina obsahuje ako hlavný legujúci prvok meď (4 – 5 %) medi. Je to zliatina s krátkymi trieskami, ktorá je odolná, ľahká, vysoko funkčná a má rovnaké vysoké mechanické vlastnosti ako AW 2030. Je tiež vhodná na rezanie závitov, tepelné spracovanie a vysokorýchlostné obrábanie. Vďaka týmto vlastnostiam sa EN AW 2007 široko používa pri výrobe strojných súčiastok, skrutiek, nitovacích matíc, skrutiek a závitových tyčí. Táto trieda hliníka má však nízku zvárateľnosť a nízku odolnosť proti korózii, preto sa po obrábaní súčiastky odporúča ochranná eloxácia.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternatívne označenia: 3.3547; Zliatina 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 je známa svojim vynikajúcim výkonom v náročných prostrediach. Obsahuje horčík a malé stopy chrómu a mangánu. Táto trieda má veľmi vysokú odolnosť voči korózii v chemickom aj morskom prostredí. Zo všetkých tepelne nespracovateľných zliatin má AW 5080 najvyššiu pevnosť; túto vlastnosť si zachováva aj po zváraní. Hoci by sa táto zliatina nemala používať v aplikáciách s teplotami vyššími ako 65 °C, vyniká v aplikáciách pri nízkych teplotách.
Vďaka svojim žiaducim vlastnostiam sa AW 5080 používa v mnohých aplikáciách vrátane kryogénnych zariadení, námorných aplikácií, tlakových zariadení, chemických aplikácií, zváraných konštrukcií a karosérií vozidiel.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternatívne označenia: 3.3535; Zliatina 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Keďže ide o tvárnu zliatinu hliníka a horčíka s najvyšším percentom hliníka, je možné ju valcovať, kovať a extrudovať. Nie je tiež tepelne spracovateľná a možno ju tvárniť za studena, aby sa zvýšila jej pevnosť, ale s nižšou ťažnosťou. Okrem toho má táto zliatina vynikajúcu odolnosť voči korózii a vysokú pevnosť. Vzhľadom na tieto vlastnosti je pochopiteľné, že AW 5754 je jednou z najobľúbenejších CNC obrábaných hliníkových tried. Zvyčajne sa používa vo zváraných konštrukciách, podlahových aplikáciách, rybárskom vybavení, karosériách vozidiel, pri spracovaní potravín a nitoch.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternatívne označenia: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Ide o tvárnu hliníkovú zliatinu obsahujúcu horčík a kremík. Je tepelne spracovateľná a má priemernú pevnosť, dobrú zvárateľnosť a dobrú tvárnosť. Je tiež vysoko odolná voči korózii; túto vlastnosť možno ešte vylepšiť eloxovaním. EN AW 6060 sa často používa v stavebníctve, spracovaní potravín, zdravotníckych zariadeniach a automobilovom priemysle.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternatívne označenia: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zinok je hlavným legujúcim prvkom v tejto triede hliníka. Hoci EN AW 7075 má priemernú obrobiteľnosť, zlé vlastnosti pri tvárnení za studena a nie je vhodný na zváranie ani spájkovanie, má vysoký pomer pevnosti k hustote, vynikajúcu odolnosť voči atmosférickým a morským podmienkam a pevnosť porovnateľnú s niektorými oceľovými zliatinami. Táto zliatina sa používa vo veľmi širokej škále aplikácií vrátane rámov závesných klzákov a bicyklov, horolezeckého vybavenia, zbraní a výroby foriem.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternatívne označenia: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Táto zliatina obsahuje horčík a kremík ako hlavné legujúce prvky so stopovým množstvom medi. S pevnosťou v ťahu 180 MPa je to vysokopevnostná zliatina a je veľmi vhodná pre vysoko zaťažené konštrukcie, ako sú lešenia, železničné vagóny, strojné a letecké súčiastky.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternatívne označenia: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Táto zliatina, ktorá sa zvyčajne vyrába valcovaním a extrúziou, má strednú pevnosť s veľmi dobrou zvariteľnosťou a tepelnou vodivosťou. Má vysokú odolnosť proti koróznemu praskaniu pod napätím. Jej pevnosť v ťahu sa pohybuje v rozmedzí 140 – 330 MPa. Hojne sa používa v pobrežných stavbách a pri stavbe kontajnerov.
Procesy CNC obrábania hliníka
Hliník môžete obrábať pomocou viacerých CNC obrábacích procesov, ktoré sú dnes k dispozícii. Niektoré z týchto procesov sú nasledujúce.
CNC sústruženie
Pri CNC sústružení sa obrobok otáča, zatiaľ čo rezný nástroj s jedným hrotom zostáva nehybný pozdĺž svojej osi. V závislosti od stroja vykonáva obrobok alebo rezný nástroj posuvný pohyb oproti sebe, aby sa dosiahol úber materiálu.
CNC frézovanie
CNC frézovanie je najčastejšie používané pri obrábaní hliníkových dielov. Tieto operácie zahŕňajú otáčanie viacbodového rezu pozdĺž jeho osi, zatiaľ čo obrobok zostáva nehybný pozdĺž svojej vlastnej osi. Rezný proces a následné odoberanie materiálu sa dosahuje posuvným pohybom buď obrobku, rezného nástroja, alebo oboch kombináciou. Tento pohyb sa môže vykonávať pozdĺž viacerých osí.
Vreckárčenie
Vreckové frézovanie, známe aj ako frézovanie vreciek, je forma CNC frézovania, pri ktorej sa v dielci vytvorí duté vrecko.
Obloženie
Čelné obrábanie pri obrábaní zahŕňa vytvorenie plochého prierezu na povrchu obrobku buď čelným sústružením, alebo čelným frézovaním.
CNC vŕtanie
CNC vŕtanie je proces vytvárania otvoru v obrobku. Pri tejto operácii sa viacbodový rotačný rezný nástroj určitej veľkosti pohybuje v priamke kolmo na vŕtaný povrch, čím efektívne vytvára otvor.
Nástroje na obrábanie hliníka
Existuje niekoľko faktorov, ktoré ovplyvňujú výber nástroja na CNC obrábanie hliníka.
Dizajn náradia
Existujú rôzne aspekty geometrie nástroja, ktoré prispievajú k jeho účinnosti pri obrábaní hliníka. Jedným z nich je počet drážok. Aby sa predišlo ťažkostiam s odvádzaním triesok pri vysokých rýchlostiach, rezné nástroje na CNC obrábanie hliníka by mali mať 2 až 3 drážky. Vyšší počet drážok vedie k menším úžľabinám pre triesky. To spôsobí, že sa veľké triesky produkované hliníkovými zliatinami zaseknú. Ak sú rezné sily nízke a odvádzanie triesok je pre proces kritické, mali by ste použiť 2 drážky. Pre dokonalú rovnováhu medzi odvádzaním triesok a pevnosťou nástroja použite 3 drážky.
Uhol špirály
Uhol skrutkovnice je uhol medzi stredovou čiarou nástroja a priamkou dotyčnicou pozdĺž reznej hrany. Je to dôležitá vlastnosť rezných nástrojov. Zatiaľ čo vyšší uhol skrutkovnice odvádza triesky z obrobku rýchlejšie, zvyšuje trenie a teplo počas rezania. To môže spôsobiť, že sa triesky privaria na povrch nástroja počas vysokorýchlostného CNC obrábania hliníka. Nižší uhol skrutkovnice na druhej strane produkuje menej tepla, ale nemusí účinne odvádzať triesky. Na obrábanie hliníka je na hrubovanie vhodný uhol skrutkovnice 35° alebo 40°, zatiaľ čo na dokončovanie je najlepší uhol skrutkovnice 45°.
Svetlý uhol
Uhol chrbta je ďalším dôležitým faktorom pre správnu funkciu nástroja. Príliš veľký uhol by spôsobil zarezávanie nástroja do obrobku a vibrácie. Na druhej strane, príliš malý uhol by spôsobil trenie medzi nástrojom a obrobkom. Uhly chrbta medzi 6° a 10° sú najvhodnejšie pre CNC obrábanie hliníka.
Materiál nástroja
Karbid je preferovaný materiál pre rezné nástroje používané pri CNC obrábaní hliníka. Keďže hliník je mäkký rezný materiál, dôležitá u rezného nástroja na hliník nie je tvrdosť, ale schopnosť udržať si ostrú hranu ako britva. Táto schopnosť je prítomná u karbidových nástrojov a závisí od dvoch faktorov: veľkosti zrna karbidu a pomeru spojiva. Zatiaľ čo väčšia veľkosť zrna vedie k tvrdšiemu materiálu, menšia veľkosť zrna zaručuje húževnatejší a odolnejší materiál voči nárazu, čo je vlastnosť, ktorú v skutočnosti požadujeme. Menšie zrná vyžadujú kobalt na dosiahnutie jemnozrnnej štruktúry a pevnosti materiálu.
Kobalt však reaguje s hliníkom pri vysokých teplotách a na povrchu nástroja vytvára hliníkový nárast. Kľúčom je použiť karbidový nástroj so správnym množstvom kobaltu (2 – 20 %), aby sa táto reakcia minimalizovala a zároveň sa zachovala požadovaná pevnosť. Karbidové nástroje zvyčajne lepšie odolávajú vysokým rýchlostiam spojeným s CNC obrábaním hliníka ako oceľové nástroje.
Okrem materiálu nástroja je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim účinnosť rezania nástroja aj povlak nástroja. Medzi vhodné povlaky pre nástroje používané pri CNC obrábaní hliníka patria ZrN (nitrid zirkónia), TiB2 (diborid titánu) a diamantové povlaky.
Podávače a rýchlosti
Rezná rýchlosť je rýchlosť, ktorou sa rezný nástroj otáča. Hliník znesie veľmi vysokú reznú rýchlosť, preto rezná rýchlosť hliníkových zliatin závisí od limitov použitého stroja. Rýchlosť by mala byť čo najvyššia pri CNC obrábaní hliníka, pretože to znižuje možnosť tvorby nárastov na hranách, šetrí čas, minimalizuje nárast teploty v dielci, zlepšuje lámanie triesok a zlepšuje konečnú úpravu. Presná použitá rýchlosť sa líši v závislosti od hliníkovej zliatiny a priemeru nástroja.
Posuv je vzdialenosť, o ktorú sa obrobok alebo nástroj posunie za jednu otáčku nástroja. Použitý posuv závisí od požadovaného výsledku, pevnosti a tuhosti obrobku. Hrubovacie rezy vyžadujú posuv 0.15 až 2.03 mm/ot., zatiaľ čo dokončovacie rezy vyžadujú posuv 0.05 až 0.15 mm/ot.
Rezacia kvapalina
Napriek obrobiteľnosti hliníka nikdy nerežte nasucho, pretože to podporuje tvorbu nárastov na hranách. Vhodné rezné kvapaliny na CNC obrábanie hliníka sú emulzie rozpustných olejov a minerálne oleje. Vyhnite sa rezným kvapalinám, ktoré obsahujú chlór alebo aktívnu síru, pretože tieto prvky zafarbujú hliník.
Post-obrábacie procesy
Po obrábaní hliníkového dielu existujú určité procesy, ktoré môžete vykonať na zlepšenie fyzikálnych, mechanických a estetických vlastností dielu. Najbežnejšie procesy sú nasledujúce.
Tryskanie pieskom a guľôčkami
Tryskanie guľôčkami je dokončovací proces z estetických dôvodov. Pri tomto procese sa obrobený diel tryska drobnými sklenenými guľôčkami pomocou vysokotlakovej vzduchovej pištole, čím sa účinne odstraňuje materiál a zabezpečuje hladký povrch. Hliník získa saténový alebo matný povrch. Hlavnými procesnými parametrami tryskania guľôčkami sú veľkosť sklenených guľôčok a množstvo použitého tlaku vzduchu. Tento proces používajte iba vtedy, keď rozmerové tolerancie dielu nie sú kritické.
Medzi ďalšie dokončovacie procesy patrí leštenie a lakovanie.
povlak
To zahŕňa potiahnutie hliníkového dielu iným materiálom, ako je zinok, nikel a chróm. Toto sa robí s cieľom zlepšiť procesy výroby dielov a možno to dosiahnuť elektrochemickými procesmi.
Eloxovanie
Anodizácia je elektrochemický proces, pri ktorom sa hliníkový diel ponorí do roztoku zriedenej kyseliny sírovej a na katódu a anódu sa privedie elektrické napätie. Tento proces účinne premieňa exponované povrchy dielu na tvrdý, elektricky nereaktívny povlak oxidu hlinitého. Hustota a hrúbka vytvoreného povlaku závisí od konzistencie roztoku, času anodizácie a elektrického prúdu. Anodizáciu môžete vykonať aj na zafarbenie dielu.
práškové lakovanie
Proces práškového lakovania zahŕňa nanesenie farebného polymérneho prášku na diel pomocou elektrostatickej striekacej pištole. Diel sa potom nechá vytvrdnúť pri teplote 200 °C. Práškové lakovanie zlepšuje pevnosť a odolnosť voči opotrebovaniu, korózii a nárazom.
Tepelné spracovanie
Časti vyrobené z tepelne spracovateľných hliníkových zliatin môžu byť tepelne spracované na zlepšenie ich mechanických vlastností.
Aplikácie CNC obrábaných hliníkových dielov v priemysle
Ako už bolo uvedené, hliníkové zliatiny majú množstvo žiaducich vlastností. Preto sú CNC obrábané hliníkové diely nevyhnutné v niekoľkých odvetviach vrátane nasledujúcich:
- Aerospace: vďaka vysokému pomeru pevnosti k hmotnosti sa niekoľko leteckých dielov vyrába z obrábaného hliníka;
- Automobilový priemyselPodobne ako v leteckom priemysle, aj v automobilovom priemysle sa niekoľko dielov, ako sú hriadele a iné komponenty, vyrába z hliníka.
- elektrickýVďaka vysokej elektrickej vodivosti sa CNC obrábané hliníkové diely často používajú ako elektronické súčiastky v elektrických spotrebičoch;
- Potraviny/farmaceutické prípravky: pretože nereagujú s väčšinou organických látok, hliníkové diely zohrávajú dôležitú úlohu v potravinárskom a farmaceutickom priemysle;
- športovéhliník sa často používa na výrobu športového vybavenia, ako sú bejzbalové pálky a športové píšťalky;
- CryogenicsSchopnosť hliníka zachovať si svoje mechanické vlastnosti aj pri teplotách pod bodom mrazu robí hliníkové diely vhodnými pre kryogénne aplikácie.