Aluminij za CNC obdelovalne materiale
Aluminij je eden najbolj obdelanih materialov, ki so danes na voljo. Pravzaprav so postopki CNC obdelave aluminija po pogostosti izvedbe drugi najpogostejši, takoj za jeklom. To je predvsem posledica njegove odlične obdelovalnosti.
V svoji najčistejši obliki je kemični element aluminij mehak, duktilen, nemagneten in srebrno bele barve. Vendar se element ne uporablja samo v čisti obliki. Aluminij se običajno legira z različnimi elementi, kot so mangan, baker in magnezij, in tvori na stotine aluminijevih zlitin z različnimi bistveno izboljšanimi lastnostmi.
Ta članek raziskuje procese, orodja, parametre in izzive, povezane s CNC obdelavo aluminija in njegovih zlitin. Obravnava tudi lastnosti aluminija, najbolj priljubljenih zlitin, ki se uporabljajo pri CNC obdelavi, ter uporabo aluminija v različnih panogah.
Strojna obdelava
Aluminij se zlahka oblikuje, obdeluje in strojno obdeluje z različnimi postopki. Z obdelovalnimi stroji ga je mogoče hitro in enostavno rezati, ker je mehak in se zlahka kruši. Je tudi cenejši in za obdelavo potrebuje manj energije kot jeklo. Te lastnosti so izjemne prednosti tako za strojnika kot za stranko, ki naroča del. Poleg tega dobra obdelovalnost aluminija pomeni, da se med obdelavo manj deformira. To vodi do večje natančnosti, saj omogoča CNC-strojem doseganje višjih toleranc.
Razmerje med trdnostjo in težo
Aluminij ima približno tretjino gostote jekla. Zaradi tega je relativno lahek. Kljub lahki teži ima aluminij zelo visoko trdnost. Ta kombinacija trdnosti in majhne teže se opisuje kot razmerje med trdnostjo in težo materialov. Zaradi visokega razmerja med trdnostjo in težo je aluminij ugoden za dele, ki so potrebni v več panogah, kot sta avtomobilska in letalska industrija.
Odpornost proti koroziji
Aluminij je odporen proti praskam in koroziji v običajnih morskih in atmosferskih pogojih. Te lastnosti lahko izboljšate z eloksiranjem. Pomembno je omeniti, da se odpornost proti koroziji razlikuje glede na vrsto aluminija. Vendar pa so najbolj odporne vrste, ki se najpogosteje obdelujejo s CNC stroji.
Zmogljivost pri nizkih temperaturah
Večina materialov pri temperaturah pod ničlo izgubi nekatere svoje zaželene lastnosti. Na primer, tako ogljikova jekla kot guma postaneta pri nizkih temperaturah krhka. Aluminij pa pri zelo nizkih temperaturah ohrani svojo mehkobo, duktilnost in trdnost.
Električna prevodnost
Električna prevodnost čistega aluminija je pri sobni temperaturi približno 37.7 milijona siemenov na meter. Čeprav imajo aluminijeve zlitine lahko nižjo prevodnost kot čisti aluminij, so dovolj prevodne, da se njihovi deli uporabljajo v električnih komponentah. Po drugi strani pa bi bil aluminij neprimeren material, če električna prevodnost ni zaželena lastnost strojno obdelanega dela.
Reciklabilnost
Ker gre za subtraktivni proizvodni postopek, CNC obdelava ustvarja veliko število ostružkov, ki so odpadni materiali. Aluminij je zelo reciklabilen, kar pomeni, da za recikliranje potrebuje relativno malo energije, truda in stroškov. Zaradi tega je bolj primeren za tiste, ki želijo povrniti stroške ali zmanjšati odpadke materiala. Zaradi tega je aluminij tudi okolju prijaznejši material za obdelavo.
Možnost anodizacije
Anodizacija, postopek površinske obdelave, ki poveča odpornost materiala proti obrabi in koroziji, je pri aluminiju enostavna. Ta postopek olajša tudi dodajanje barve obdelanim aluminijastim delom.
Priljubljene aluminijeve zlitine za CNC obdelavo
Iz naših izkušenj pri Xometryju je naslednjih 5 vrst aluminija med najpogosteje uporabljenimi za CNC obdelavo.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternativne oznake: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Ta aluminijeva zlitina vsebuje baker kot glavni legirni element (4–5 %) bakra. Je zlitina s kratkimi ostružki, ki je trpežna, lahka, zelo funkcionalna in ima enako visoke mehanske lastnosti kot AW 2030. Primerna je tudi za navoje, toplotno obdelavo in visokohitrostno strojno obdelavo. Zaradi vseh teh lastnosti se EN AW 2007 pogosto uporablja pri izdelavi strojnih delov, vijakov, zakovic, matic in navojnih palic. Vendar pa ima ta vrsta aluminija slabo varivost in nizko odpornost proti koroziji, zato je po strojni obdelavi priporočljivo izvesti zaščitno eloksiranje.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternativne oznake: 3.3547; Zlitina 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 je znana po odlični učinkovitosti v zahtevnih okoljih. Vsebuje magnezij ter majhne sledi kroma in mangana. Ta vrsta ima zelo visoko odpornost proti koroziji tako v kemičnem kot morskem okolju. Od vseh zlitin, ki jih ni mogoče toplotno obdelati, ima AW 5080 najvišjo trdnost; lastnost, ki jo ohrani tudi po varjenju. Čeprav se ta zlitina ne sme uporabljati pri temperaturah višjih od 65 °C, se odlično obnese pri nizkih temperaturah.
Zaradi svojih zaželenih lastnosti se AW 5080 uporablja v številnih aplikacijah, vključno s kriogeno opremo, pomorskimi aplikacijami, tlačno opremo, kemičnimi aplikacijami, varjenimi konstrukcijami in karoserijami vozil.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternativne oznake: 3.3535; zlitina 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Ker je AW 5754 kovana aluminijasto-magnezijeva zlitina z najvišjim odstotkom aluminija, jo je mogoče valjati, kovati in ekstrudirati. Prav tako ni toplotno obdelana in jo je mogoče hladno obdelovati za povečanje trdnosti, vendar z manjšo duktilnostjo. Poleg tega ima ta zlitina odlično odpornost proti koroziji in visoko trdnost. Glede na te lastnosti je razumljivo, da je AW 5754 ena najbolj priljubljenih CNC obdelanih vrst aluminija. Običajno se uporablja v varjenih konstrukcijah, talnih oblogah, ribiški opremi, karoseriji vozil, predelavi hrane in zakovicah.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternativne oznake: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
To je kovano aluminijeva zlitina, ki vsebuje magnezij in silicij. Je toplotno obdelana in ima povprečno trdnost, dobro varivost in dobro oblikovnost. Je tudi zelo odporna proti koroziji; lastnost, ki jo je mogoče še izboljšati z eloksiranjem. EN AW 6060 se pogosto uporablja v gradbeništvu, predelavi hrane, medicinski opremi in avtomobilski industriji.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternativne oznake: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Cink je glavni legirni element v tej vrsti aluminija. Čeprav ima EN AW 7075 povprečno obdelovalnost, slabe lastnosti hladnega oblikovanja in ni primeren tako za varjenje kot spajkanje, ima visoko razmerje med trdnostjo in gostoto, odlično odpornost na atmosferska in morska okolja ter trdnost, primerljivo z nekaterimi jeklenimi zlitinami. Ta zlitina se uporablja v zelo širokem spektru aplikacij, vključno z ogrodji jadralnih letal in koles, opremo za plezanje, orožjem in izdelavo orodij za kalupe.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternativne oznake: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Ta zlitina vsebuje magnezij in silicij kot glavna legirna elementa ter sledove bakra. Z natezno trdnostjo 180 MPa je to zlitina visoke trdnosti in je zelo primerna za zelo obremenjene konstrukcije, kot so odri, železniški vagoni, strojni in vesoljski deli.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternativne oznake: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Ta zlitina, ki se običajno oblikuje z valjanjem in ekstrudiranjem, ima srednjo trdnost z zelo dobro varivostjo in toplotno prevodnostjo. Ima visoko odpornost proti napetostni koroziji. Ima natezno trdnost, ki se giblje od 140 do 330 MPa. Pogosto se uporablja v gradnji na morju in kontejnerjih.
Postopki CNC obdelave aluminija
Aluminij lahko obdelujete s številnimi CNC obdelovalnimi postopki, ki so danes na voljo. Nekateri od teh postopkov so naslednji.
CNC struženje
Pri CNC struženju se obdelovanec vrti, medtem ko rezalno orodje z eno konico ostane mirujoče vzdolž svoje osi. Odvisno od stroja se obdelovanec ali rezalno orodje pomikata drug proti drugemu, da dosežeta odstranjevanje materiala.
CNC rezkanje
CNC rezkanje je najpogosteje uporabljeno pri obdelavi aluminijastih delov. Te operacije vključujejo vrtenje večtočkovnega reza vzdolž svoje osi, medtem ko obdelovanec ostane mirujoč vzdolž svoje osi. Rezanje in posledično odstranjevanje materiala se doseže s podajalnim gibanjem obdelovanca, rezalnega orodja ali obojega skupaj. To gibanje se lahko izvaja vzdolž več osi.
Žepkanje, znano tudi kot rezkanje žepov, je oblika CNC rezkanja, pri kateri se v delu izdela votli žep.
Soočenje
Čelna obdelava pri strojni obdelavi vključuje ustvarjanje ravnega prečnega prereza na površini obdelovanca s čelnim struženjem ali čelnim rezkanjem.
CNC vrtanje
CNC vrtanje je postopek izdelave luknje v obdelovancu. Pri tej operaciji se večtočkovno vrteče se rezalno orodje določene velikosti premika v ravni črti, pravokotno na površino, ki jo je treba vrtati, in s tem učinkovito ustvari luknjo.
Orodja za obdelavo aluminija
Na izbiro orodja za CNC obdelavo aluminija vpliva več dejavnikov.
Oblikovanje orodij
Obstajajo različni vidiki geometrije orodja, ki prispevajo k njegovi učinkovitosti pri obdelavi aluminija. Eden od teh je število utorov. Da bi preprečili težave pri odvajanju odrezkov pri visokih hitrostih, bi morala imeti rezalna orodja za CNC obdelavo aluminija 2-3 utore. Večje število utorov povzroči manjše doline za odrezke. To bo povzročilo, da se bodo veliki odrezki, ki jih proizvajajo aluminijeve zlitine, zataknili. Ko so rezalne sile nizke in je odvajanje odrezkov ključnega pomena za postopek, uporabite 2 utora. Za popolno ravnovesje med odvajanjem odrezkov in trdnostjo orodja uporabite 3 utore.
Vijačni kot
Kot vijačnice je kot med središčnico orodja in premico, ki poteka tangento vzdolž rezalnega roba. Je pomembna značilnost rezalnih orodij. Medtem ko večji kot vijačnice hitreje odstranjuje odrezke z dela, poveča trenje in toploto med rezanjem. To lahko povzroči, da se odrezki med visokohitrostno CNC obdelavo aluminija privarijo na površino orodja. Po drugi strani pa manjši kot vijačnice proizvaja manj toplote, vendar odrezkov morda ne odstranjuje učinkovito. Za obdelavo aluminija je za grobo obdelavo primeren kot vijačnice 35° ali 40°, medtem ko je za fino obdelavo najboljši kot vijačnice 45°.
Varnostni kot
Kot rezila je še en pomemben dejavnik za pravilno delovanje orodja. Prevelik kot bi povzročil, da bi se orodje zarezalo v obdelovanec in se treslo. Po drugi strani pa bi premajhen kot povzročil trenje med orodjem in obdelovancem. Kot rezila med 6° in 10° je najboljši za CNC obdelavo aluminija.
Material orodja
Karbid je najprimernejši material za rezalna orodja, ki se uporabljajo pri CNC obdelavi aluminija. Ker je aluminij mehko rezljiv material, pri rezalnem orodju za aluminij ni pomembna trdota, temveč sposobnost ohranjanja ostrega roba. Ta sposobnost je prisotna pri orodjih iz karbidne trdine in je odvisna od dveh dejavnikov: velikosti zrn karbida in razmerja veziva. Medtem ko večja velikost zrna pomeni trši material, manjša velikost zrna zagotavlja trši in bolj odporen material proti udarcem, kar je pravzaprav lastnost, ki jo potrebujemo. Manjša zrna potrebujejo kobalt za doseganje drobnozrnate strukture in trdnosti materiala.
Vendar kobalt pri visokih temperaturah reagira z aluminijem in na površini orodja tvori nanos aluminija. Ključno je uporabiti karbidno orodje z ustrezno količino kobalta (2–20 %), da se ta reakcija čim bolj zmanjša, hkrati pa se ohrani potrebna trdnost. Karbidna orodja običajno bolje prenesejo visoke hitrosti, povezane s CNC obdelavo aluminija, kot jeklena orodja.
Poleg materiala orodja je pomemben dejavnik učinkovitosti rezanja orodja tudi prevleka orodja. ZrN (cirkonijev nitrid), TiB2 (titanov diborid) in diamantne prevleke so nekatere primerne prevleke za orodja, ki se uporabljajo pri CNC obdelavi aluminija.
Viri in hitrosti
Rezalna hitrost je hitrost vrtenja rezalnega orodja. Aluminij lahko prenese zelo visoke rezalne hitrosti, zato je rezalna hitrost za aluminijeve zlitine odvisna od omejitev uporabljenega stroja. Hitrost mora biti pri CNC obdelavi aluminija čim višja, saj to zmanjša možnost nastanka naplavin na robovih, prihrani čas, zmanjša dvig temperature v obdelovancu, izboljša lomljenje odrezkov in izboljša končno obdelavo. Natančna uporabljena hitrost se razlikuje glede na aluminijevo zlitino in premer orodja.
Hitrost podajanja je razdalja, ki jo obdelovanec ali orodje premakne na en vrtljaj orodja. Uporabljeno podajanje je odvisno od želenega rezultata, trdnosti in togosti obdelovanca. Za grobo rezanje je potrebno podajanje od 0.15 do 2.03 mm/vrt, za fino rezanje pa od 0.05 do 0.15 mm/vrt.
Rezalna tekočina
Kljub obdelovalnosti aluminija nikoli ne režite na suho, saj to spodbuja nastanek nalepljenih robov. Primerne rezalne tekočine za CNC obdelavo aluminija so emulzije topnih olj in mineralna olja. Izogibajte se rezalnim tekočinam, ki vsebujejo klor ali aktivno žveplo, saj ti elementi obarvajo aluminij.
Postopki po obdelavi
Po obdelavi aluminijastega dela obstajajo določeni postopki, s katerimi lahko izboljšate fizikalne, mehanske in estetske lastnosti dela. Najpogostejši postopki so naslednji.
Peskanje s perlami in peskom
Peskanje s steklenimi kroglicami je postopek zaključne obdelave iz estetskih razlogov. Pri tem postopku se obdelani del peska z drobnimi steklenimi kroglicami z uporabo visokotlačne zračne pištole, kar učinkovito odstrani material in zagotovi gladko površino. Aluminiju daje satenast ali mat zaključek. Glavna procesna parametra za peskanje s steklenimi kroglicami sta velikost steklenih kroglic in količina uporabljenega zračnega tlaka. Ta postopek uporabite le, kadar dimenzijske tolerance dela niso kritične.
Drugi postopki zaključne obdelave vključujejo poliranje in barvanje.
prevleka
To vključuje premazovanje aluminijastega dela z drugim materialom, kot so cink, nikelj in krom. To se naredi za izboljšanje postopkov izdelave delov in se lahko doseže z elektrokemičnimi postopki.
Anodiziranje
Anodizacija je elektrokemični postopek, pri katerem se aluminijast del potopi v raztopino razredčene žveplove kisline, na katodo in anodo pa se dovede električna napetost. Ta postopek učinkovito pretvori izpostavljene površine dela v trdo, električno nereaktivno prevleko iz aluminijevega oksida. Gostota in debelina ustvarjene prevleke sta odvisni od konsistence raztopine, časa eloksiranja in električnega toka. Anodizacijo lahko izvedete tudi za barvanje dela.
Eloksacija
Postopek prašnega barvanja vključuje nanašanje barvnega polimernega prahu na del z elektrostatično brizgalno pištolo. Del se nato strdi pri temperaturi 200 °C. Prašno barvanje izboljša trdnost in odpornost proti obrabi, koroziji in udarcem.
Toplotna obdelava
Deli iz toplotno obdelanih aluminijevih zlitin se lahko toplotno obdelajo za izboljšanje njihovih mehanskih lastnosti.
Uporaba CNC obdelanih aluminijastih delov v industriji
Kot smo že omenili, imajo aluminijeve zlitine številne zaželene lastnosti. Zato so CNC-obdelani aluminijasti deli nepogrešljivi v več panogah, vključno z naslednjimi:
- Aerospace: zaradi visokega razmerja med trdnostjo in težo je več letalskih okovjev izdelanih iz strojno obdelanega aluminija;
- Avtomobilizem: podobno kot v letalski in vesoljski industriji je tudi v avtomobilski industriji več delov, kot so gredi in druge komponente, izdelanih iz aluminija;
- Električna: zaradi visoke električne prevodnosti se CNC obdelani aluminijasti deli pogosto uporabljajo kot elektronske komponente v električnih napravah;
- Hrana/FarmacevtikaKer ne reagirajo z večino organskih snovi, imajo aluminijasti deli pomembno vlogo v živilski in farmacevtski industriji;
- Šport: aluminij se pogosto uporablja za izdelavo športne opreme, kot so baseball palice in športne piščalke;
- KriogenezaZaradi sposobnosti aluminija, da ohrani svoje mehanske lastnosti pri temperaturah pod ničlo, so aluminijasti deli zaželeni za kriogene aplikacije.