Aluminium för CNC-bearbetningsmaterial
Aluminium är ett av de mest bearbetade materialen som finns tillgängliga idag. Faktum är att CNC-bearbetningsprocesser för aluminium är näst efter stål vad gäller utförandefrekvens. Detta beror främst på dess utmärkta bearbetbarhet.
I sin renaste form är det kemiska grundämnet aluminium mjukt, duktilt, icke-magnetiskt och har ett silvervitt utseende. Grundämnet används dock inte bara i ren form. Aluminium legeras vanligtvis med olika grundämnen som mangan, koppar och magnesium för att bilda hundratals aluminiumlegeringar med olika avsevärt förbättrade egenskaper.
Den här artikeln utforskar processer, verktyg, parametrar och utmaningar som är involverade i CNC-bearbetning av aluminium och dess legeringar. Den diskuterar också egenskaperna hos aluminium, de mest populära legeringarna som används vid CNC-bearbetning, samt aluminiumtillämpningar inom olika industrier.
bearbetbarhet
Aluminium formas, bearbetas och maskinbearbetas lätt med hjälp av en mängd olika processer. Det kan snabbt och enkelt skäras av verktygsmaskiner eftersom det är mjukt och lätt flisas. Det är också billigare och kräver mindre kraft att bearbeta än stål. Dessa egenskaper är till stora fördelar för både maskinisten och kunden som beställer detaljen. Dessutom innebär aluminiums goda maskinbearbetbarhet att det deformeras mindre under bearbetning. Detta leder till högre noggrannhet eftersom det gör att CNC-maskiner kan uppnå högre toleranser.
Styrka-till-vikt-förhållande
Aluminium har ungefär en tredjedel av ståls densitet. Detta gör det relativt lätt. Trots sin låga vikt har aluminium mycket hög hållfasthet. Denna kombination av styrka och låg vikt beskrivs som materialens hållfasthets-viktförhållande. Aluminiums höga hållfasthets-viktförhållande gör det gynnsamt för delar som behövs inom flera industrier, såsom fordons- och flygindustrin.
Korrosionsbeständighet
Aluminium är reptåligt och korrosionsbeständigt under vanliga marina och atmosfäriska förhållanden. Du kan förbättra dessa egenskaper genom anodisering. Det är viktigt att notera att korrosionsbeständigheten varierar mellan olika aluminiumkvaliteter. De vanligast CNC-bearbetade kvaliteterna har dock störst motståndskraft.
Prestanda vid låga temperaturer
De flesta material tenderar att förlora några av sina önskvärda egenskaper vid temperaturer under noll. Till exempel blir både kolstål och gummi spröda vid låga temperaturer. Aluminium behåller i sin tur sin mjukhet, duktilitet och styrka vid mycket låga temperaturer.
Elektrisk konduktivitet
Den elektriska ledningsförmågan hos ren aluminium är cirka 37.7 miljoner siemens per meter vid rumstemperatur. Även om aluminiumlegeringar kan ha lägre ledningsförmåga än ren aluminium, är de tillräckligt ledande för att deras delar ska kunna användas i elektriska komponenter. Å andra sidan skulle aluminium vara ett olämpligt material om elektrisk ledningsförmåga inte är en önskvärd egenskap hos en maskinbearbetad del.
Återvinningsbarhet
Eftersom det är en subtraktiv tillverkningsprocess genererar CNC-bearbetningsprocesser ett stort antal flisor, som är avfallsmaterial. Aluminium är i hög grad återvinningsbart, vilket innebär att det kräver relativt låg energi, ansträngning och kostnad att återvinna. Detta gör det att föredra för dem som vill få tillbaka utgifter eller minska materialspill. Det gör också aluminium till ett mer miljövänligt material att bearbeta.
Anodiseringspotential
Anodisering, vilket är en ytbehandlingsprocess som ökar ett materials slitage- och korrosionsbeständighet, är enkel att uppnå i aluminium. Denna process gör det också enklare att lägga till färg på bearbetade aluminiumdelar.
Populära aluminiumlegeringar för CNC-bearbetning
Enligt vår erfarenhet på Xometry är följande 5 aluminiumkvaliteter bland de mest använda för CNC-bearbetning.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Alternativa beteckningar: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Denna aluminiumlegering har koppar som sitt huvudsakliga legeringselement (4–5 %). Det är en kortspånad legering som är hållbar, lätt, mycket funktionell och har samma höga mekaniska egenskaper som AW 2030. Den är också lämplig för gängning, värmebehandling och höghastighetsbearbetning. Alla dessa egenskaper gör att EN AW 2007 används flitigt vid tillverkning av maskindelar, bultar, nitar, muttrar, skruvar och gängstänger. Denna aluminiumkvalitet har dock låg svetsbarhet och låg korrosionsbeständighet; därför rekommenderas det att utföra skyddande anodisering efter bearbetning av detaljer.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Alternativa beteckningar: 3.3547; Legering 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 är känt för sina utmärkta prestanda i krävande miljöer. Den innehåller magnesium och små spår av krom och mangan. Denna kvalitet har mycket hög korrosionsbeständighet i både kemiska och marina miljöer. Av alla icke-värmebehandlingsbara legeringar har AW 5080 den högsta hållfastheten; en egenskap som den behåller även efter svetsning. Även om denna legering inte bör användas i applikationer med temperaturer högre än 65 °C, utmärker den sig i lågtemperaturapplikationer.
Tack vare sina många önskvärda egenskaper används AW 5080 i ett flertal tillämpningar, inklusive kryogen utrustning, marina applikationer, tryckbärande anordningar, kemiska tillämpningar, svetsade konstruktioner och fordonskarosser.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Alternativa beteckningar: 3.3535; Legering 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
AW 5754 är en smidd aluminium-magnesiumlegering med den högsta andelen aluminium och kan valsas, smidas och extruderas. Den är inte heller värmebehandlingsbar och kan kallbearbetas för att öka sin hållfasthet, men med lägre duktilitet. Dessutom har denna legering utmärkt korrosionsbeständighet och hög hållfasthet. Med tanke på dessa egenskaper är det förståeligt att AW 5754 är en av de mest populära CNC-frästa aluminiumkvaliteterna. Den används vanligtvis i svetsade konstruktioner, golvapplikationer, fiskeutrustning, fordonskarosser, livsmedelsbearbetning och nitar.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Alternativa beteckningar: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Detta är en magnesium- och kiselhaltig smidesaluminiumlegering. Den är värmebehandlingsbar och har medelhög hållfasthet, god svetsbarhet och god formbarhet. Den är också mycket korrosionsbeständig; en egenskap som kan förbättras ytterligare genom anodisering. EN AW 6060 används ofta inom byggbranschen, livsmedelsbearbetning, medicinsk utrustning och fordonsteknik.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Alternativa beteckningar: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Zink är det primära legeringselementet i denna aluminiumkvalitet. Även om EN AW 7075 har genomsnittlig bearbetbarhet, dåliga kallformningsegenskaper och inte är lämplig för både svetsning och lödning, har den ett högt hållfasthets-täthetsförhållande, utmärkt motståndskraft mot atmosfäriska och marina miljöer och en hållfasthet jämförbar med vissa stållegeringar. Denna legering används i ett mycket brett spektrum av tillämpningar, inklusive ramar för hängglidare och cyklar, bergsklättringsutrustning, vapen och tillverkning av gjutformar.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Alternativa beteckningar: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Denna legering innehåller magnesium och kisel som huvudsakliga legeringselement med spårmängder av koppar. Med en draghållfasthet på 180 MPa är detta en höghållfast legering och är mycket lämplig för högbelastade konstruktioner såsom ställningar, järnvägsvagnar, maskiner och flyg- och rymdkomponenter.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Alternativa beteckningar: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Denna legering, som vanligtvis formas genom valsning och extrudering, har medelhög hållfasthet med mycket god svetsbarhet och värmeledningsförmåga. Den har hög motståndskraft mot spänningskorrosion. Den har en draghållfasthet som varierar från 140–330 MPa. Den används flitigt inom offshore-konstruktion och containrar.
CNC-bearbetningsprocesser i aluminium
Du kan bearbeta aluminium med ett antal av de CNC-bearbetningsprocesser som finns tillgängliga idag. Några av dessa processer är följande.
CNC Turning
Vid CNC-svarvning roterar arbetsstycket, medan enpunktsskärverktyget förblir stationärt längs sin axel. Beroende på maskinen utför antingen arbetsstycket eller skärverktyget en matningsrörelse mot det andra för att uppnå materialavverkning.
CNC Fräsning
CNC-fräsningsoperationer är de vanligaste operationerna vid bearbetning av aluminiumdelar. Dessa operationer involverar rotation av en flerpunktsfräsning längs sin axel, medan arbetsstycket förblir stationärt längs sin egen axel. Skärande verkan och därefter materialborttagning uppnås genom matningsrörelsen hos antingen arbetsstycket, skärverktyget eller båda tillsammans. Denna rörelse kan utföras längs flera axlar.
kasserar
Fickfräsning, även känt som fickfräsning, är en form av CNC-fräsning där en ihålig ficka bearbetas i en detalj.
Facing
Plansvarvning vid bearbetning innebär att skapa en plan tvärsnittsarea på ytan av ett arbetsstycke genom antingen plansvarvning eller planfräsning.
CNC-borrning
CNC-borrning är processen att göra ett hål i ett arbetsstycke. I denna operation rör sig ett roterande flerpunktsskärverktyg av en viss storlek i en rak linje vinkelrätt mot ytan som ska borras, vilket effektivt skapar ett hål.
Verktyg för bearbetning av aluminium
Det finns flera faktorer som påverkar valet av verktyg för CNC-bearbetning av aluminium.
Verktygsdesign
Det finns olika aspekter av ett verktygs geometri som bidrar till dess effektivitet vid bearbetning av aluminium. En av dessa är dess spårantal. För att förhindra svårigheter med spånavgång vid höga hastigheter bör skärverktyg för CNC-bearbetning av aluminium ha 2–3 spår. Ett högre antal spår resulterar i mindre spåndalar. Detta kommer att göra att de stora spånorna som produceras av aluminiumlegeringar fastnar. När skärkrafterna är låga och spånfrigången är avgörande för processen bör du använda 2 spår. För en perfekt balans mellan spånfrigång och verktygsstyrka, använd 3 spår.
Helix Angle
Helixvinkeln är vinkeln mellan ett verktygs centrumlinje och en rak linjetangent längs skäreggen. Det är en viktig egenskap hos skärverktyg. Medan en högre helixvinkel avlägsnar spånor från en detalj snabbare, ökar den friktionen och värmen under skärning. Detta kan orsaka att spånorna svetsas fast vid verktygsytan under höghastighetsbearbetning av aluminium med CNC. En lägre helixvinkel, å andra sidan, producerar mindre värme men kanske inte avlägsnar spånor effektivt. För bearbetning av aluminium är en helixvinkel på 35° eller 40° lämplig för grovbearbetning, medan en helixvinkel på 45° är bäst för finbearbetning.
Frigångsvinkel
Frigångsvinkeln är en annan viktig faktor för att ett verktyg ska fungera korrekt. En alltför stor vinkel skulle få verktyget att gräva sig ner i arbetsstycket och vibrera. Å andra sidan skulle en för liten vinkel orsaka friktion mellan verktyget och arbetsstycket. Frigångsvinklar mellan 6° och 10° är bäst för CNC-bearbetning av aluminium.
Verktygsmaterial
Karbid är det föredragna materialet för skärverktyg som används vid CNC-bearbetning av aluminium. Eftersom aluminium är mjukt skärande är det viktiga i ett skärverktyg för aluminium inte hårdheten, utan förmågan att bibehålla en knivskarp egg. Denna förmåga finns i karbidverktyg och den beror på två faktorer, karbidkornstorlek och bindemedelsförhållande. Medan en större kornstorlek resulterar i hårdare material, garanterar en mindre kornstorlek ett segare, mer slagtåligt material, vilket faktiskt är den egenskap vi behöver. Mindre korn kräver kobolt för att uppnå den fina kornstrukturen och materialets hållfasthet.
Kobolt reagerar dock med aluminium vid höga temperaturer och bildar en ansamling av aluminiumkant på verktygsytan. Nyckeln är att använda ett hårdmetallverktyg med rätt mängd kobolt (2–20 %) för att minimera denna reaktion, samtidigt som den erforderliga hållfastheten bibehålls. Hårdmetallverktyg tål vanligtvis de höga hastigheter som är förknippade med CNC-bearbetning av aluminium bättre än stålverktyg.
Förutom verktygsmaterialet är verktygsbeläggningen en viktig faktor för verktygets skäreffektivitet. ZrN (zirkoniumnitrid), TiB2 (titandiborid) och diamantliknande beläggningar är några lämpliga beläggningar för verktyg som används vid CNC-bearbetning av aluminium.
Matningar och hastigheter
Skärhastighet är den hastighet med vilken skärverktyget roterar. Aluminium tål mycket hög skärhastighet, därför är skärhastigheten för aluminiumlegeringar beroende av begränsningarna hos den maskin som används. Hastigheten bör vara så hög som är praktiskt möjligt vid CNC-bearbetning av aluminium, eftersom detta minskar risken för bildandet av kanter, sparar tid, minimerar temperaturökning i detaljen, förbättrar spånbrott och förbättrar finbearbetningen. Den exakta hastigheten som används varierar beroende på aluminiumlegering och verktygsdiameter.
Matningshastigheten är den sträcka som arbetsstycket eller verktyget rör sig per verktygsvarv. Matningen som används beror på önskad ytbehandling, arbetsstyckets hållfasthet och styvhet. Grovsågning kräver en matning på 0.15 till 2.03 mm/varv medan finsågning kräver en matning på 0.05 till 0.15 mm/varv.
Skärvätska
Trots dess bearbetbarhet, skär aldrig torrt i aluminium eftersom det främjar bildandet av kanter. Lämpliga skärvätskor för CNC-bearbetning av aluminium är lösliga oljeemulsioner och mineraloljor. Undvik skärvätskor som innehåller klor eller aktivt svavel eftersom dessa ämnen missfärgar aluminium.
Efterbearbetningsprocesser
Efter bearbetning av en aluminiumdel finns det vissa processer som du kan utföra för att förbättra delens fysiska, mekaniska och estetiska egenskaper. De vanligaste processerna är följande.
Pärl- och sandblästring
Glasblästring är en ytbehandlingsprocess för estetiska ändamål. I denna process blästras den bearbetade delen med små glaspärlor med hjälp av en högtrycksluftpistol, vilket effektivt avlägsnar material och säkerställer en slät yta. Det ger aluminium en sidenmatt eller matt finish. De viktigaste processparametrarna för glasblästring är storleken på glaspärlorna och mängden lufttryck som används. Använd endast denna process när dimensionstoleranserna för en del inte är kritiska.
Andra ytbehandlingar inkluderar polering och målning.
Beläggning
Detta innebär att en aluminiumdel beläggs med ett annat material, såsom zink, nickel och krom. Detta görs för att förbättra komponentprocesserna och kan uppnås genom elektrokemiska processer.
Anodisering
Anodisering är en elektrokemisk process där en aluminiumdel doppas i en lösning av utspädd svavelsyra, och en elektrisk spänning appliceras över katoden och anoden. Denna process omvandlar effektivt delens exponerade ytor till en hård, elektriskt icke-reaktiv aluminiumoxidbeläggning. Densiteten och tjockleken på den skapade beläggningen beror på lösningens konsistens, anodiseringstiden och den elektriska strömmen. Du kan också utföra anodisering för att färga en del.
Pulverbeläggning
Pulverlackeringsprocessen innebär att en del beläggs med färgat polymerpulver med hjälp av en elektrostatisk sprutpistol. Delen får sedan härda vid en temperatur på 200 °C. Pulverlackering förbättrar styrkan och motståndskraften mot slitage, korrosion och slag.
Värmebehandling
Delar tillverkade av värmebehandlingsbara aluminiumlegeringar kan genomgå värmebehandling för att förbättra sina mekaniska egenskaper.
Tillämpningar av CNC-frästa aluminiumdelar inom industrin
Som tidigare nämnts har aluminiumlegeringar ett antal önskvärda egenskaper. Därför är CNC-frästa aluminiumdelar oumbärliga inom flera branscher, inklusive följande:
- AerospacePå grund av dess höga hållfasthets-viktförhållande är flera flygplansbeslag tillverkade av maskinbearbetad aluminium;
- BilI likhet med flygindustrin är flera delar, såsom axlar och andra komponenter inom bilindustrin, tillverkade av aluminium;
- ElectricalCNC-frästa aluminiumdelar har hög elektrisk ledningsförmåga och används ofta som elektroniska komponenter i elektriska apparater;
- Livsmedel / läkemedelEftersom de inte reagerar med de flesta organiska ämnen spelar aluminiumdelar en viktig roll inom livsmedels- och läkemedelsindustrin.
- SportAluminium används ofta för att tillverka sportutrustning som basebollträ och visselpipor;
- kryoteknikAluminiums förmåga att behålla sina mekaniska egenskaper vid temperaturer under noll gör aluminiumdelar önskvärda för kryogena tillämpningar.