用于数控加工的铝材
铝是当今加工最广泛的材料之一。事实上，铝的数控加工频率仅次于钢材。这主要归功于其优异的加工性能。
纯净的铝元素质地柔软、延展性好、无磁性，呈银白色。然而，铝元素并非仅以纯净形式使用。它通常与锰、铜、镁等多种元素合金化，形成数百种性能显著提升的铝合金。
本文探讨了铝及其合金数控加工的工艺流程、工具、参数和挑战。此外，本文还讨论了铝的特性、数控加工中最常用的合金以及铝在各个行业的应用。
可加工性
铝材易于成型、加工和机械加工，可采用多种工艺。由于其质地较软且易崩刃，因此可由机床快速轻松地进行切割。此外，铝材价格更低，加工所需的功率也比钢材更小。这些特性对加工人员和订购零件的客户都大有裨益。而且，铝材良好的可加工性意味着其在加工过程中变形较小，从而使数控机床能够实现更高的加工精度。
强度重量比
铝的密度约为钢的三分之一，因此相对较轻。尽管重量轻，铝的强度却非常高。这种强度与轻质的结合被称为材料的强度重量比。铝的高强度重量比使其成为汽车、航空航天等多个行业所需零部件的理想材料。
耐腐蚀性
铝材在常见的海洋和大气环境下具有耐刮擦和耐腐蚀性能。阳极氧化处理可以进一步增强这些性能。需要注意的是，不同等级铝材的耐腐蚀性有所不同。不过，最常用于数控加工的铝材等级通常具有最佳的耐腐蚀性。
低温性能
大多数材料在零度以下都会失去一些优良性能。例如，碳钢和橡胶在低温下都会变脆。而铝则恰恰相反，即使在极低温度下也能保持其柔软性、延展性和强度。
电导率
纯铝在室温下的电导率约为每米37.7万西门子。虽然铝合金的电导率可能低于纯铝，但其导电性足以满足电子元件的应用需求。另一方面，如果加工零件不需要良好的导电性，那么铝就不是合适的材料。
可回收性
由于数控加工是一种减材制造工艺，因此会产生大量切屑，这些切屑属于废料。铝具有很高的可回收性，这意味着回收铝所需的能源、人力和成本相对较低。这使得铝成为那些希望收回成本或减少材料浪费的人的理想选择。此外，铝的加工也更加环保。
阳极氧化电位
阳极氧化是一种表面处理工艺，可以提高材料的耐磨性和耐腐蚀性，在铝材上很容易实现。该工艺还能使铝制零件的着色更加便捷。
用于 CNC 加工的热门铝合金
根据我们在 Xometry 的经验，以下 5 种铝材牌号是 CNC 加工中最常用的铝材之一。
EN AW-2007 / 3.1645 / 铝铜镁铅
其他名称： 3.1645； EN 573-3； AlCu4PbMgMn。
这种铝合金以铜为主要合金元素（含铜量为4-5%）。它是一种短切合金，具有耐用、轻便、功能性强等优点，并拥有与AW 2030相同的优异机械性能。它也适用于螺纹加工、热处理和高速加工。所有这些特性使得EN AW 2007广泛应用于机械零件、螺栓、铆钉、螺母、螺钉和螺纹杆的生产。然而，这种铝合金的焊接性和耐腐蚀性较差；因此，建议在零件加工后进行阳极氧化保护处理。
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
其他名称： 3.3547；合金 5083；EN 573-3；UNS A95083；ASTM B209；AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 以其在严苛环境下的卓越性能而闻名。它含有镁以及少量的铬和锰。该牌号的合金在化学和海洋环境中均具有极高的耐腐蚀性。在所有不可热处理的合金中，AW 5080 的强度最高，即使焊接后也能保持这一特性。虽然这种合金不适用于温度高于 65°C 的应用，但它在低温应用中表现出色。
由于其一系列优良特性，AW 5080 被广泛应用于低温设备、船舶应用、压力设备、化学应用、焊接结构和车辆车身等领域。
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
其他名称： 3.3535；合金 5754；EN 573-3；U21NS A95754；ASTM B 209；Al-Mg3。
AW 5754 是一种铝含量最高的锻造铝镁合金，可进行轧制、锻造和挤压加工。它不可进行热处理，但可通过冷加工提高强度，不过冷加工会降低其延展性。此外，该合金具有优异的耐腐蚀性和高强度。鉴于这些特性，AW 5754 成为最常用的数控加工铝材之一也就不足为奇了。它通常用于焊接结构、地板、渔具、车身、食品加工和铆钉等领域。
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
其他名称： 3.3206； ISO 6361； UNS A96060； ASTM B 221；铝镁硅0,5
这是一种含镁硅的锻造铝合金。它可进行热处理，具有中等强度、良好的焊接性和成形性。此外，它还具有很高的耐腐蚀性；阳极氧化处理可以进一步提高其耐腐蚀性能。EN AW 6060 常用于建筑、食品加工、医疗设备和汽车工程等领域。
EN AW-7075 / 3.4365 / 铝锌六镁铜
其他名称： 3.4365； UNS A96082； H30；铝锌六镁铜。
锌是该牌号铝合金的主要合金元素。尽管EN AW 7075的切削加工性能一般，冷成形性能较差，且不适用于焊接和钎焊，但它具有很高的强度密度比、优异的耐大气和耐海洋环境性能，强度可与某些钢合金媲美。这种合金的应用范围非常广泛，包括滑翔机和自行车车架、攀岩装备、武器以及模具制造等。
EN AW-6061 / 3.3211 / 铝镁硅铜
其他名称： 3.3211、UNS A96061、A6061、铝镁硅铜。
这种合金的主要合金元素是镁和硅，并含有微量的铜。其抗拉强度高达180兆帕，是一种高强度合金，非常适用于脚手架、铁路客车、机械和航空航天部件等高载荷结构。
EN AW-6082 / 3.2315 / 铝硅1镁
其他名称： 3.2315，UNS A96082，A-SGM0,7，Al-Si1Mg。
这种合金通常采用轧制和挤压成型，具有中等强度、优异的焊接性和导热性，以及很高的抗应力腐蚀开裂性能。其抗拉强度范围为140-330兆帕，广泛应用于海上工程和集装箱制造领域。
铝数控加工工艺
您可以使用目前可用的多种数控加工工艺对铝进行加工。以下列举其中一些工艺。
数控车削
在数控车削加工中，工件旋转，而单点切削刀具则沿其轴线保持静止。根据机床的不同，工件或切削刀具会相对于另一方进行进给运动，从而实现材料去除。
数控铣床
数控铣削是铝零件加工中最常用的加工方式。这种加工方式涉及多点切削沿其轴线旋转，而工件则沿其自身轴线保持静止。切削动作以及随后的材料去除是通过工件、刀具或二者共同的进给运动来实现的。这种运动可以沿多个轴进行。
装袋
型腔铣削，也称为型腔铣削，是一种数控铣削工艺，用于在零件上加工出一个空心型腔。
面对
机械加工中的端面加工是指通过端面车削或端面铣削在工件表面上形成一个平坦的横截面区域。
CNC钻孔
数控钻孔是指在工件上加工孔的过程。在此过程中，特定尺寸的多刃旋转切削刀具沿垂直于待钻孔表面的直线运动，从而有效地加工出孔。
铝加工工具
影响铝材数控加工刀具选择的因素有很多。
工具设计
刀具几何形状的多个方面都会影响其加工铝材的效率，其中之一便是刀刃数量。为了防止高速切削时切屑排出困难，用于铝材数控加工的刀具应采用 2-3 个刀刃。刀刃数量越多，切屑槽越小，铝合金加工产生的大块切屑就越容易卡在刀具表面。当切削力较小且切屑排出至关重要时，应使用 2 个刀刃。为了在切屑排出和刀具强度之间取得最佳平衡，则应使用 3 个刀刃。
螺旋角
螺旋角是指刀具中心线与切削刃切线之间的夹角，是切削刀具的重要参数。较大的螺旋角虽然能更快地排出切屑，但也会增加切削过程中的摩擦和热量。在高速铝材数控加工中，这可能导致切屑粘附在刀具表面。而较小的螺旋角虽然产生的热量较少，但可能无法有效地排出切屑。对于铝材加工，35°或40°的螺旋角适用于粗加工，而45°的螺旋角则最适合精加工。
间隙角
后角是影响刀具正常运转的另一个重要因素。过大的后角会导致刀具切入工件并产生颤动。而过小的后角则会导致刀具与工件之间产生摩擦。对于铝材数控加工而言，6°至10°之间的后角最为理想。
刀具材质
硬质合金是铝材数控加工刀具的首选材料。由于铝材质地较软，切削刀具的关键不在于硬度，而在于保持锋利刀刃的能力。硬质合金刀具具备这种能力，而这取决于两个因素：硬质合金的晶粒尺寸和粘结剂比例。较大的晶粒尺寸可以提高材料的硬度，而较小的晶粒尺寸则可以确保材料具有更高的韧性和抗冲击性，这正是我们所需要的特性。较小的晶粒尺寸需要添加钴才能形成细晶粒结构并提高材料强度。
然而，钴在高温下会与铝发生反应，在刀具表面形成铝堆积层。关键在于使用钴含量适中（2-20%）的硬质合金刀具，以最大限度地减少这种反应，同时保持所需的强度。硬质合金刀具通常比钢制刀具更能承受铝数控加工的高速。
除了刀具材料外，刀具涂层也是影响刀具切削效率的重要因素。氮化锆（ZrN）、二硼化钛（TiB2）和类金刚石涂层是适用于铝材数控加工刀具的几种合适涂层。
进给和速度
切削速度是指切削刀具的旋转速度。铝材能够承受非常高的切削速度，因此铝合金的切削速度取决于所用机床的性能极限。在铝合金数控加工中，切削速度应尽可能高，因为这可以减少积屑瘤的形成，节省时间，最大限度地降低工件温度升高，改善切屑断裂，并提高加工表面光洁度。具体的切削速度取决于铝合金的种类和刀具直径。
进给速度是指刀具每旋转一周，工件或刀具移动的距离。进给速度取决于所需的表面光洁度、工件的强度和刚度。粗加工所需的进给速度为0.15至2.03毫米/转，而精加工所需的进给速度为0.05至0.15毫米/转。
切割液
尽管铝材易于加工，但切勿干切，因为这会促进积屑瘤的形成。适用于铝材数控加工的切削液是可溶性油乳液和矿物油。避免使用含有氯或活性硫的切削液，因为这些元素会使铝材染色。
后加工工序
铝制零件加工完成后，可以进行一些处理以增强零件的物理、机械和美观性能。最常用的处理方法如下。
珠状和砂状喷砂
喷砂是一种用于提升外观的表面处理工艺。该工艺使用高压气枪将细小的玻璃珠喷射到加工后的零件表面，有效去除材料并获得光滑的表面。它能使铝材呈现缎面或哑光效果。喷砂工艺的主要参数是玻璃珠的尺寸和气压。仅当零件的尺寸公差要求不高时才可采用此工艺。
其他表面处理工艺包括抛光和喷漆。
涂料
这包括用锌、镍或铬等其他材料对铝制零件进行镀层。这样做是为了改进零件的加工工艺，可以通过电化学方法实现。
阳极氧化
阳极氧化是一种电化学工艺，将铝制零件浸入稀硫酸溶液中，并在阴极和阳极之间施加电压。该工艺能有效地将零件的裸露表面转化为一层坚硬且不导电的氧化铝涂层。涂层的密度和厚度取决于溶液的浓度、阳极氧化时间和电流。阳极氧化也可用于零件着色。
粉末涂料
粉末涂装工艺是将彩色聚合物粉末通过静电喷枪喷涂到零件上，然后在200°C的温度下进行固化。粉末涂装能够提高零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性。
热处理
由可热处理铝合金制成的零件可以进行热处理以改善其机械性能。
CNC加工铝零件在工业中的应用
如前所述，铝合金具有许多优良的性能。因此，数控加工的铝制零件在包括以下行业在内的多个行业中不可或缺：
- 航空航天由于铝材具有很高的强度重量比，因此许多飞机配件都是用机加工铝材制成的；
- 汽車与航空航天工业类似，汽车工业中的许多部件，例如轴和其他组件，都是用铝制成的；
- 电器类由于铝材具有高导电性，CNC加工的铝制零件常被用作电器中的电子元件；
- 食品/药品由于铝不与大多数有机物质发生反应，因此铝部件在食品和制药行业中发挥着重要作用；
- 运动铝常用于制造棒球棒、运动哨等体育器材；
- 低温铝在零度以下的温度下仍能保持其机械性能，这使得铝制零件成为低温应用的理想选择。