Nhôm dùng cho gia công CNC
Nhôm là một trong những vật liệu được gia công nhiều nhất hiện nay. Trên thực tế, các quy trình gia công CNC nhôm đứng thứ hai sau thép về tần suất thực hiện. Điều này chủ yếu là do khả năng gia công tuyệt vời của nó.
Ở dạng tinh khiết nhất, nguyên tố hóa học nhôm mềm, dẻo, không nhiễm từ và có màu trắng bạc. Tuy nhiên, nguyên tố này không chỉ được sử dụng ở dạng tinh khiết. Nhôm thường được hợp kim với nhiều nguyên tố khác nhau như mangan, đồng và magie để tạo thành hàng trăm hợp kim nhôm với nhiều đặc tính được cải thiện đáng kể.
Bài viết này tìm hiểu các quy trình, công cụ, thông số và thách thức liên quan đến gia công CNC nhôm và hợp kim nhôm. Bài viết cũng thảo luận về các đặc tính của nhôm, các hợp kim phổ biến nhất được sử dụng trong gia công CNC, cũng như ứng dụng của nhôm trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Machinability
Nhôm dễ dàng được tạo hình, gia công và chế tạo bằng nhiều quy trình khác nhau. Nó có thể được cắt nhanh chóng và dễ dàng bằng máy công cụ vì mềm và dễ vỡ vụn. Hơn nữa, nó ít tốn kém hơn và cần ít năng lượng hơn để gia công so với thép. Những đặc điểm này mang lại lợi ích to lớn cho cả người gia công và khách hàng đặt hàng sản phẩm. Thêm vào đó, khả năng gia công tốt của nhôm có nghĩa là nó ít bị biến dạng trong quá trình gia công. Điều này dẫn đến độ chính xác cao hơn vì nó cho phép máy CNC đạt được dung sai cao hơn.
Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng
Nhôm có mật độ chỉ bằng khoảng một phần ba so với thép. Điều này làm cho nó tương đối nhẹ. Mặc dù nhẹ, nhôm lại có độ bền rất cao. Sự kết hợp giữa độ bền và trọng lượng nhẹ này được mô tả là tỷ lệ độ bền trên trọng lượng của vật liệu. Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao của nhôm khiến nó trở nên được ưa chuộng cho các bộ phận cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.
Chống ăn mòn
Nhôm có khả năng chống trầy xước và chống ăn mòn trong điều kiện khí quyển và biển thông thường. Bạn có thể tăng cường các đặc tính này bằng cách anot hóa. Điều quan trọng cần lưu ý là khả năng chống ăn mòn khác nhau ở các loại nhôm khác nhau. Tuy nhiên, các loại nhôm được gia công CNC thường xuyên nhất có khả năng chống ăn mòn cao nhất.
Hiệu suất ở nhiệt độ thấp
Hầu hết các vật liệu đều mất đi một số đặc tính mong muốn ở nhiệt độ dưới 0 độ C. Ví dụ, cả thép cacbon và cao su đều trở nên giòn ở nhiệt độ thấp. Ngược lại, nhôm vẫn giữ được độ mềm, độ dẻo và độ bền ở nhiệt độ rất thấp.
Tinh dân điện
Độ dẫn điện của nhôm nguyên chất vào khoảng 37.7 triệu siemens trên mét ở nhiệt độ phòng. Mặc dù hợp kim nhôm có thể có độ dẫn điện thấp hơn nhôm nguyên chất, nhưng chúng vẫn đủ dẫn điện để các bộ phận của chúng được sử dụng trong các linh kiện điện tử. Mặt khác, nhôm sẽ là vật liệu không phù hợp nếu độ dẫn điện không phải là đặc tính mong muốn của một chi tiết gia công.
Tái chế
Vì là quy trình gia công bóc tách, gia công CNC tạo ra một lượng lớn phôi vụn, là vật liệu thải. Nhôm có khả năng tái chế cao, nghĩa là việc tái chế nhôm đòi hỏi tương đối ít năng lượng, công sức và chi phí. Điều này khiến nó trở nên ưu việt hơn đối với những người muốn thu hồi chi phí hoặc giảm thiểu lãng phí vật liệu. Nó cũng làm cho nhôm trở thành vật liệu thân thiện hơn với môi trường trong quá trình gia công.
Tiềm năng Anodisation
Quá trình anod hóa, một phương pháp hoàn thiện bề mặt giúp tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn của vật liệu, rất dễ thực hiện trên nhôm. Quá trình này cũng giúp việc tạo màu cho các chi tiết nhôm gia công trở nên dễ dàng hơn.
Hợp kim nhôm phổ biến cho gia công CNC
Theo kinh nghiệm của chúng tôi tại Xometry, 5 loại nhôm sau đây là những loại được sử dụng phổ biến nhất trong gia công CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Các tên gọi thay thế: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Hợp kim nhôm này có đồng là nguyên tố hợp kim chính (4-5%). Đây là loại hợp kim dễ vỡ vụn, bền, nhẹ, có tính năng cao và có các đặc tính cơ học cao tương tự như AW 2030. Nó cũng thích hợp cho việc tạo ren, xử lý nhiệt và gia công tốc độ cao. Tất cả những đặc tính này làm cho EN AW 2007 được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận máy móc, bu lông, đinh tán, đai ốc, vít và thanh ren. Tuy nhiên, loại nhôm này có khả năng hàn và chống ăn mòn thấp; do đó, nên thực hiện quá trình anot hóa bảo vệ sau khi gia công chi tiết.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Các tên gọi thay thế: 3.3547; Hợp kim 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
Hợp kim AW 5083 nổi tiếng với hiệu suất tuyệt vời trong môi trường khắc nghiệt. Nó chứa magie và một lượng nhỏ crom và mangan. Loại hợp kim này có khả năng chống ăn mòn rất cao trong cả môi trường hóa chất và môi trường biển. Trong số tất cả các hợp kim không thể xử lý nhiệt, AW 5080 có độ bền cao nhất; một đặc tính mà nó vẫn giữ được ngay cả sau khi hàn. Mặc dù hợp kim này không nên được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ cao hơn 65°C, nhưng nó lại rất hiệu quả trong các ứng dụng ở nhiệt độ thấp.
Nhờ sở hữu những đặc tính ưu việt, thép AW 5080 được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm thiết bị đông lạnh, ứng dụng hàng hải, thiết bị chịu áp suất, ứng dụng hóa chất, kết cấu hàn và thân xe.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Các tên gọi thay thế: 3.3535; Hợp kim 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Là một hợp kim nhôm-magiê rèn với tỷ lệ nhôm cao nhất, AW 5754 có thể được cán, rèn và ép đùn. Nó cũng không thể xử lý nhiệt và có thể được gia công nguội để tăng độ bền, nhưng độ dẻo sẽ thấp hơn. Ngoài ra, hợp kim này có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ bền cao. Xét đến những đặc tính này, dễ hiểu tại sao AW 5754 là một trong những loại nhôm được gia công CNC phổ biến nhất. Nó thường được sử dụng trong các kết cấu hàn, ứng dụng lát sàn, thiết bị đánh bắt cá, thân xe, chế biến thực phẩm và đinh tán.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Các tên gọi thay thế: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5
Đây là hợp kim nhôm rèn chứa magie và silic. Nó có thể xử lý nhiệt, có độ bền trung bình, khả năng hàn và tạo hình tốt. Nó cũng có khả năng chống ăn mòn cao; một đặc tính có thể được cải thiện hơn nữa thông qua quá trình anot hóa. EN AW 6060 thường được sử dụng trong xây dựng, chế biến thực phẩm, thiết bị y tế và kỹ thuật ô tô.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Các tên gọi thay thế: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
Kẽm là nguyên tố hợp kim chính trong loại nhôm này. Mặc dù EN AW 7075 có khả năng gia công trung bình, đặc tính tạo hình nguội kém và không thích hợp cho cả hàn và ghép nối; nhưng nó có tỷ lệ độ bền trên mật độ cao, khả năng chống chịu tuyệt vời với môi trường khí quyển và biển, và độ bền tương đương với một số hợp kim thép. Hợp kim này được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng bao gồm khung dù lượn và xe đạp, thiết bị leo núi, vũ khí và sản xuất khuôn mẫu.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Các tên gọi thay thế: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Hợp kim này chứa magie và silic là các nguyên tố hợp kim chính, cùng với một lượng nhỏ đồng. Với độ bền kéo 180 MPa, đây là một hợp kim có độ bền cao và rất phù hợp cho các kết cấu chịu tải trọng lớn như giàn giáo, toa xe lửa, các bộ phận máy móc và hàng không vũ trụ.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Các tên gọi thay thế: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Thường được tạo thành bằng phương pháp cán và ép đùn, hợp kim này có độ bền trung bình với khả năng hàn và dẫn nhiệt rất tốt. Nó có khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất cao. Độ bền kéo của nó nằm trong khoảng từ 140 đến 330 MPa. Nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng ngoài khơi và sản xuất container.
Các quy trình gia công CNC nhôm
Bạn có thể gia công nhôm bằng nhiều quy trình gia công CNC hiện có. Một số quy trình đó như sau.
CNC Turning
Trong các thao tác tiện CNC, phôi quay trong khi dụng cụ cắt một điểm vẫn đứng yên dọc theo trục của nó. Tùy thuộc vào máy, phôi hoặc dụng cụ cắt sẽ thực hiện chuyển động tịnh tiến ngược chiều nhau để loại bỏ vật liệu.
Phay CNC
Gia công phay CNC là phương pháp phổ biến nhất trong gia công các chi tiết nhôm. Các thao tác này bao gồm việc quay một dao cắt đa điểm quanh trục của nó, trong khi phôi vẫn đứng yên quanh trục của chính nó. Quá trình cắt và loại bỏ vật liệu được thực hiện bằng chuyển động tịnh tiến của phôi, dao cắt, hoặc cả hai kết hợp. Chuyển động này có thể được thực hiện dọc theo nhiều trục.
Bỏ túi
Gia công tạo hốc, còn được gọi là phay hốc, là một hình thức phay CNC trong đó một hốc rỗng được gia công trên một chi tiết.
Đối mặt với
Trong gia công cơ khí, gia công mặt phẳng bao gồm việc tạo ra một mặt cắt ngang phẳng trên bề mặt của phôi bằng cách sử dụng phương pháp tiện mặt phẳng hoặc phay mặt phẳng.
Khoan CNC
Gia công khoan CNC là quá trình tạo lỗ trên phôi. Trong thao tác này, một dụng cụ cắt quay nhiều điểm có kích thước xác định di chuyển theo đường thẳng vuông góc với bề mặt cần khoan, từ đó tạo ra lỗ một cách hiệu quả.
Dụng cụ gia công nhôm
Có một số yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn dụng cụ gia công CNC nhôm.
Thiết kế công cụ
Có nhiều yếu tố về hình dạng hình học của dụng cụ cắt góp phần vào hiệu quả gia công nhôm. Một trong những yếu tố đó là số rãnh thoát phoi. Để tránh khó khăn trong việc thoát phoi ở tốc độ cao, dụng cụ cắt dùng cho gia công CNC nhôm nên có từ 2 đến 3 rãnh. Số rãnh càng nhiều thì rãnh thoát phoi càng nhỏ. Điều này sẽ khiến phoi lớn sinh ra từ hợp kim nhôm bị kẹt. Khi lực cắt thấp và việc thoát phoi là rất quan trọng đối với quá trình gia công, bạn nên sử dụng dụng cụ có 2 rãnh. Để đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa khả năng thoát phoi và độ bền của dụng cụ, hãy sử dụng dụng cụ có 3 rãnh.
Helix Angle
Góc xoắn là góc giữa đường tâm của dụng cụ và đường thẳng tiếp tuyến dọc theo cạnh cắt. Đây là một đặc điểm quan trọng của dụng cụ cắt. Mặc dù góc xoắn lớn hơn giúp loại bỏ phôi nhanh hơn, nhưng nó làm tăng ma sát và nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt. Điều này có thể khiến phôi bị hàn dính vào bề mặt dụng cụ trong quá trình gia công CNC nhôm tốc độ cao. Mặt khác, góc xoắn nhỏ hơn tạo ra ít nhiệt hơn nhưng có thể không loại bỏ phôi hiệu quả. Đối với gia công nhôm, góc xoắn 35° hoặc 40° phù hợp cho các ứng dụng gia công thô, trong khi góc xoắn 45° là tốt nhất cho gia công tinh.
Góc giải phóng mặt bằng
Góc thoát phôi là một yếu tố quan trọng khác đối với hoạt động đúng đắn của dụng cụ. Góc quá lớn sẽ khiến dụng cụ cắm sâu vào phôi và gây rung lắc. Mặt khác, góc quá nhỏ sẽ gây ma sát giữa dụng cụ và phôi. Góc thoát phôi từ 6° đến 10° là tốt nhất cho gia công CNC nhôm.
Vật liệu dụng cụ
Carbide là vật liệu được ưa chuộng cho các dụng cụ cắt dùng trong gia công CNC nhôm. Vì nhôm là vật liệu mềm, nên điều quan trọng ở một dụng cụ cắt nhôm không phải là độ cứng, mà là khả năng giữ được độ sắc bén như dao cạo. Khả năng này có trong các dụng cụ carbide và nó phụ thuộc vào hai yếu tố: kích thước hạt carbide và tỷ lệ chất kết dính. Trong khi kích thước hạt lớn hơn tạo ra vật liệu cứng hơn, kích thước hạt nhỏ hơn đảm bảo vật liệu dẻo dai hơn, chịu va đập tốt hơn, đây chính là đặc tính mà chúng ta cần. Các hạt nhỏ hơn cần coban để đạt được cấu trúc hạt mịn và độ bền của vật liệu.
Tuy nhiên, coban phản ứng với nhôm ở nhiệt độ cao, tạo thành một lớp nhôm tích tụ trên bề mặt dụng cụ. Mấu chốt là sử dụng dụng cụ cacbua với lượng coban phù hợp (2-20%) để giảm thiểu phản ứng này, đồng thời vẫn duy trì được độ bền cần thiết. Dụng cụ cacbua thường chịu được tốc độ cao trong gia công CNC nhôm tốt hơn so với dụng cụ thép.
Bên cạnh vật liệu chế tạo dụng cụ, lớp phủ dụng cụ cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả cắt gọt. ZrN (Zirconium Nitride), TiB2 (Titanium di-Boride) và các lớp phủ giống kim cương là một số lớp phủ phù hợp cho các dụng cụ được sử dụng trong gia công CNC nhôm.
Nguồn cấp dữ liệu và tốc độ
Tốc độ cắt là tốc độ quay của dụng cụ cắt. Nhôm có thể chịu được tốc độ cắt rất cao, do đó tốc độ cắt đối với hợp kim nhôm phụ thuộc vào giới hạn của máy được sử dụng. Tốc độ nên càng cao càng tốt trong gia công CNC nhôm, vì điều này làm giảm khả năng hình thành các cạnh bị vón cục, tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sự tăng nhiệt độ trong chi tiết, cải thiện khả năng bẻ vụn phoi và cải thiện độ hoàn thiện bề mặt. Tốc độ chính xác được sử dụng thay đổi tùy thuộc vào loại hợp kim nhôm và đường kính dụng cụ.
Tốc độ tiến dao là khoảng cách phôi hoặc dụng cụ di chuyển trên mỗi vòng quay của dụng cụ. Tốc độ tiến dao sử dụng phụ thuộc vào độ hoàn thiện mong muốn, độ bền và độ cứng của phôi. Gia công thô yêu cầu tốc độ tiến dao từ 0.15 đến 2.03 mm/vòng, trong khi gia công tinh yêu cầu tốc độ tiến dao từ 0.05 đến 0.15 mm/vòng.
Chất lỏng cắt
Mặc dù dễ gia công, nhưng tuyệt đối không được cắt nhôm khô vì điều này sẽ làm tăng hiện tượng tạo thành các cạnh dày. Các chất làm mát thích hợp cho gia công CNC nhôm là nhũ tương dầu hòa tan và dầu khoáng. Tránh sử dụng các chất làm mát có chứa clo hoặc lưu huỳnh hoạt tính vì những chất này sẽ làm ố nhôm.
Các quy trình sau gia công
Sau khi gia công một chi tiết bằng nhôm, có một số quy trình bạn có thể thực hiện để cải thiện các đặc tính vật lý, cơ học và thẩm mỹ của chi tiết đó. Các quy trình phổ biến nhất như sau:
Phun bi và phun cát
Phun bi là một quy trình hoàn thiện nhằm mục đích thẩm mỹ. Trong quy trình này, chi tiết được gia công sẽ được phun bằng các hạt bi thủy tinh nhỏ li ti sử dụng súng khí nén áp suất cao, giúp loại bỏ vật liệu hiệu quả và đảm bảo bề mặt nhẵn mịn. Nó mang lại cho nhôm một lớp hoàn thiện mờ hoặc satin. Các thông số chính của quy trình phun bi là kích thước của các hạt bi thủy tinh và lượng áp suất khí sử dụng. Chỉ nên sử dụng quy trình này khi dung sai kích thước của chi tiết không quá quan trọng.
Các công đoạn hoàn thiện khác bao gồm đánh bóng và sơn.
Sơn phủ
Quá trình này bao gồm việc phủ một lớp vật liệu khác như kẽm, niken và crom lên chi tiết nhôm. Mục đích là để cải thiện các quy trình sản xuất chi tiết và có thể được thực hiện thông qua các phương pháp điện hóa.
anot hóa
Anod hóa là một quá trình điện hóa trong đó một chi tiết bằng nhôm được nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng, và một điện áp được đặt vào giữa cực âm và cực dương. Quá trình này chuyển đổi hiệu quả các bề mặt tiếp xúc của chi tiết thành một lớp phủ oxit nhôm cứng, không phản ứng điện. Mật độ và độ dày của lớp phủ tạo ra phụ thuộc vào độ đặc của dung dịch, thời gian anod hóa và cường độ dòng điện. Bạn cũng có thể thực hiện anod hóa để tạo màu cho chi tiết.
Sơn tĩnh điện
Quy trình sơn tĩnh điện bao gồm việc phủ một lớp bột polymer màu lên chi tiết bằng súng phun tĩnh điện. Sau đó, chi tiết được để khô ở nhiệt độ 200°C. Sơn tĩnh điện giúp cải thiện độ bền và khả năng chống mài mòn, ăn mòn và va đập.
Xử lý nhiệt
Các chi tiết được làm từ hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt có thể trải qua quá trình xử lý nhiệt để cải thiện các tính chất cơ học của chúng.
Ứng dụng của các chi tiết nhôm gia công CNC trong công nghiệp
Như đã nêu ở trên, hợp kim nhôm có nhiều đặc tính ưu việt. Do đó, các chi tiết nhôm gia công CNC là không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm các ngành sau:
- Không gian vũ trụDo có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, một số phụ kiện máy bay được chế tạo từ nhôm gia công;
- Ô tôTương tự như ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, một số bộ phận như trục và các linh kiện khác trong ngành công nghiệp ô tô được làm từ nhôm;
- ĐiệnDo có độ dẫn điện cao, các bộ phận bằng nhôm gia công CNC thường được sử dụng làm linh kiện điện tử trong các thiết bị điện;
- Thực phẩm/Dược phẩmDo không phản ứng với hầu hết các chất hữu cơ, các bộ phận bằng nhôm đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm;
- Thể thaoNhôm thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị thể thao như gậy bóng chày và còi thể thao;
- KriogenicsKhả năng duy trì các đặc tính cơ học của nhôm ở nhiệt độ dưới 0 độ C khiến các bộ phận bằng nhôm trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đông lạnh.