用於CNC加工的鋁材
鋁是當今加工最廣泛的材料之一。事實上，鋁的CNC加工頻率僅次於鋼材。這主要歸功於其優異的加工性能。
純淨的鋁元素質地柔軟、延展性佳、無磁性，呈銀白色。然而，鋁元素並非僅以純淨形式使用。它通常與錳、銅、鎂等多種元素合金化，形成數百種性能顯著提升的鋁合金。
本文探討了鋁及其合金數控加工的製程、工具、參數和挑戰。此外，本文也討論了鋁的特性、數控加工中最常用的合金以及鋁在各行業的應用。
可加工性
鋁材易於成型、加工和機械加工，可採用多種工藝。由於其質地較軟且易崩刃，因此可由工具機快速輕鬆地進行切割。此外，鋁材價格更低，加工所需的功率也比鋼材更小。這些特性對加工人員和訂購零件的客戶都大有裨益。而且，鋁材良好的可加工性意味著其在加工過程中變形較小，從而使CNC工具機能夠實現更高的加工精度。
強度重量比
鋁的密度約為鋼的三分之一，因此相對較輕。儘管重量輕，鋁的強度卻非常高。這種強度與輕質的結合稱為材料的強度重量比。鋁的高強度重量比使其成為汽車、航空航太等多個行業所需零件的理想材料。
耐腐蝕性能
鋁材在常見的海洋和大氣環境下具有耐刮擦和耐腐蝕性能。陽極氧化處理可以進一步增強這些性能。需要注意的是，不同等級鋁材的耐腐蝕性有所不同。不過，最常用於數控加工的鋁材等級通常具有最佳的耐腐蝕性。
低溫性能
大多數材料在零度以下都會失去一些優良性能。例如，碳鋼和橡膠在低溫下都會變脆。而鋁則恰恰相反，即使在極低溫下也能保持其柔軟性、延展性和強度。
電導率
純鋁在室溫下的電導率約為每公尺37.7萬西門子。雖然鋁合金的電導率可能低於純鋁，但其導電性足以滿足電子元件的應用需求。另一方面，如果加工零件不需要良好的導電性，那麼鋁就不是合適的材料。
可回收性
由於數控加工是一種減材製造工藝，因此會產生大量切屑，這些切屑屬於廢料。鋁具有很高的可回收性，這意味著回收鋁所需的能源、人力和成本相對較低。這使得鋁成為那些希望收回成本或減少材料浪費的人的理想選擇。此外，鋁的加工也更環保。
陽極氧化電位
陽極氧化是一種表面處理工藝，可以提高材料的耐磨性和耐腐蝕性，在鋁材上很容易實現。此工藝還能使鋁製零件的著色更加便捷。
用於 CNC 加工的熱門鋁合金
根據我們在 Xometry 的經驗，以下 5 種鋁材牌號是 CNC 加工中最常用的鋁材之一。
EN AW-2007 / 3.1645 / 鋁銅鎂鉛
其他名稱： 3.1645； EN 573-3； AlCu4PbMgMn。
這種鋁合金以銅為主要合金元素（含銅量為4-5%）。它是一種短切合金，具有耐用、輕巧、功能性強等優點，並具有與AW 2030相同的優異機械性能。它也適用於螺紋加工、熱處理和高速加工。所有這些特性使得EN AW 2007廣泛應用於機械零件、螺栓、鉚釘、螺母、螺絲和螺紋桿的生產。然而，這種鋁合金的焊接性和耐腐蝕性較差；因此，建議在零件加工後進行陽極氧化保護處理。
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
其他名稱： 3.3547；合金 5083；EN 573-3；UNS A95083；ASTM B209；AlMg4.5Mn0.7
AW 5083 以其在嚴苛環境下的卓越性能而聞名。它含有鎂以及少量的鉻和錳。此牌號的合金在化學和海洋環境中均具有極高的耐腐蝕性。在所有不可熱處理的合金中，AW 5080 的強度最高，即使焊接後也能保持此特性。雖然這種合金不適用於溫度高於 65°C 的應用，但它在低溫應用中表現出色。
由於其一系列優良特性，AW 5080 被廣泛應用於低溫設備、船舶應用、壓力設備、化學應用、焊接結構和車輛車身等領域。
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
其他名稱： 3.3535；合金 5754；EN 573-3；U21NS A95754；ASTM B 209；Al-Mg3。
AW 5754 是一種鋁含量最高的鍛造鋁鎂合金，可進行軋製、鍛造和擠壓加工。它不可進行熱處理，但可透過冷加工提高強度，不過冷加工會降低其延展性。此外，該合金具有優異的耐腐蝕性和高強度。鑑於這些特性，AW 5754 成為最常用的CNC加工鋁材之一也就不足為奇了。它通常用於焊接結構、地板、漁具、車身、食品加工和鉚釘等領域。
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
其他名稱： 3.3206； ISO 6361； UNS A96060； ASTM B 221；鋁鎂矽0,5
這是一種含鎂矽的鍛造鋁合金。它可進行熱處理，具有中等強度、良好的焊接性和成形性。此外，它還具有很高的耐腐蝕性；陽極氧化處理可以進一步提高其耐腐蝕性能。 EN AW 6060 常用於建築、食品加工、醫療設備及汽車工程等領域。
EN AW-7075 / 3.4365 / 鋁鋅六鎂銅
其他名稱： 3.4365； UNS A96082； H30；鋁鋅六鎂銅。
鋅是此牌號鋁合金的主要合金元素。儘管EN AW 7075的切削加工性能一般，冷成形性能較差，且不適用於焊接和釬焊，但它具有很高的強度密度比、優異的耐大氣和耐海洋環境性能，強度可與某些鋼合金媲美。這種合金的應用範圍非常廣泛，包括滑翔機和自行車車架、攀岩裝備、武器以及模具製造等。
EN AW-6061 / 3.3211 / 鋁鎂矽銅
其他名稱： 3.3211、UNS A96061、A6061、鋁鎂矽銅。
這種合金的主要合金元素是鎂和矽，並含有微量的銅。其抗拉強度高達180兆帕，是一種高強度合金，非常適用於鷹架、鐵路客車、機械和航空航太零件等高載重結構。
EN AW-6082 / 3.2315 / 鋁矽1鎂
其他名稱： 3.2315，UNS A96082，A-SGM0,7，Al-Si1Mg。
這種合金通常採用軋製和擠壓成型，具有中等強度、優異的焊接性和導熱性，以及很高的抗應力腐蝕開裂性能。其抗拉強度範圍為140-330兆帕，廣泛應用於海上工程和貨櫃製造領域。
鋁材CNC加工工藝
您可以使用目前可用的多種數控加工流程對鋁進行加工。以下列舉其中一些工藝。
數控車削
在CNC車削加工中，工件旋轉，而單點切削刀具則沿其軸線保持靜止。根據工具機的不同，工件或切削刀具會相對於另一方進行進給運動，從而實現材料去除。
數控銑床
數控銑削是鋁材零件加工中最常用的加工方式。這種加工方式涉及多點切削沿其軸線旋轉，而工件則沿其自身軸線保持靜止。切削動作以及隨後的材料去除是透過工件、刀具或二者共同的進給運動來實現的。這種運動可以沿著多個軸進行。
裝袋
型腔銑削，也稱為型腔銑削，是一種數控銑削工藝，用於在零件上加工出一個空心型腔。
面對
機械加工中的端面加工是指透過端面車削或端面銑削在工件表面上形成一個平坦的橫斷面區域。
CNC鑽孔
數控鑽孔是指在工件上加工孔的過程。在此過程中，特定尺寸的多刃旋轉切削刀具沿著垂直於待鑽孔表面的直線運動，從而有效地加工出孔。
鋁加工工具
影響鋁材CNC加工刀具選擇的因素很多。
工具設計
刀具幾何形狀的多個方面都會影響其加工鋁材的效率，其中之一就是刀刃數量。為了防止高速切削時切屑排出困難，用於鋁材數控加工的刀具應採用 2-3 個刀刃。刀刃數量越多，切屑槽越小，鋁合金加工產生的大塊切屑就越容易卡在刀具表面。當切削力較小且切屑排出至關重要時，應使用 2 個刀片。為了在切屑排出和刀具強度之間取得最佳平衡，則應使用 3 個刀刃。
螺旋角
螺旋角是指刀具中心線與切削刃切線之間的夾角，是切削刀具的重要參數。較大的螺旋角雖然能更快排出切屑，但也會增加切削過程中的摩擦和熱量。在高速鋁材數控加工中，這可能導致切屑附著在刀具表面。而較小的螺旋角雖然產生的熱量較少，但可能無法有效地排出切屑。對於鋁材加工，35°或40°的螺旋角適用於粗加工，而45°的螺旋角則最適合精加工。
間隙角
後角是影響刀具正常運作的另一個重要因素。過大的後角會導致刀具切入工件並產生顫動。而過小的後角則會導致刀具與工件之間產生摩擦。對於鋁材CNC加工而言，6°至10°之間的後角最為理想。
刀具材質
硬質合金是鋁材CNC加工刀具的首選材料。由於鋁材質質地較軟，切割刀具的關鍵不在於硬度，而是保持鋒利刀刃的能力。硬質合金刀具具備這種能力，而這取決於兩個因素：硬質合金的晶粒尺寸和黏結劑比例。較大的晶粒尺寸可以提高材料的硬度，而較小的晶粒尺寸則可以確保材料具有更高的韌性和抗衝擊性，而這正是我們所需的特性。較小的晶粒尺寸需要添加鈷才能形成細晶粒結構並提高材料強度。
然而，鈷在高溫下會與鋁反應，在刀具表面形成鋁堆積層。關鍵在於使用鈷含量適中（2-20%）的硬質合金刀具，以最大限度地減少這種反應，同時保持所需的強度。硬質合金刀具通常比鋼製刀具更能承受鋁數控加工的高速。
除了刀具材料外，刀具塗層也是影響刀具切削效率的重要因素。氮化鋯（ZrN）、二硼化鈦（TiB2）和類鑽石塗層是適用於鋁材CNC加工刀具的幾種合適塗層。
進給和速度
切削速度是指切削刀具的旋轉速度。鋁材能夠承受非常高的切削速度，因此鋁合金的切割速度取決於所使用工具機的性能極限。在鋁合金數控加工中，切削速度應盡可能高，因為這可以減少積屑瘤的形成，節省時間，最大限度地降低工件溫度升高，改善切屑斷裂，並提高加工表面光潔度。具體的切削速度取決於鋁合金的種類和刀具直徑。
進給速度是指刀具每旋轉一周，工件或刀具移動的距離。進給速度取決於所需的表面光潔度、工件的強度和剛度。粗加工所需的進給速度為0.15至2.03毫米/轉，而精加工所需的進給速度為0.05至0.15毫米/轉。
切割液
儘管鋁材易於加工，但切勿乾切，因為這會促進積屑瘤的形成。適用於鋁材數控加工的切削液是可溶性油乳液和礦物油。避免使用含有氯或活性硫的切削液，因為這些元素會使鋁材染色。
後加工工序
鋁製零件加工完成後，可以進行一些處理以增強零件的物理、機械和美觀性能。最常用的處理方法如下。
珠狀和砂狀噴砂
噴砂是一種用於提升外觀的表面處理過程。該工藝使用高壓氣槍將細小的玻璃珠噴射到加工後的零件表面，有效去除材料並獲得光滑的表面。它能使鋁材呈現緞面或霧面效果。噴砂製程的主要參數是玻璃珠的尺寸和氣壓。僅當零件的尺寸公差要求不高時才可採用此工藝。
其他表面處理工藝包括拋光和噴漆。
塗層
這包括用鋅、鎳或鉻等其他材料對鋁製零件進行鍍層。這樣做是為了改進零件的加工工藝，可以透過電化學方法來實現。
陽極處理
陽極氧化是一種電化學工藝，將鋁製零件浸入稀硫酸溶液中，並在陰極和陽極之間施加電壓。此製程能有效地將零件的裸露表面轉化為一層堅硬且不導電的氧化鋁塗層。塗層的密度和厚度取決於溶液的濃度、陽極氧化時間和電流。陽極氧化也可用於零件著色。
粉末塗料
粉末塗裝製程是將彩色聚合物粉末透過靜電噴槍噴塗到零件上，然後在200°C的溫度下進行固化。粉末塗裝能夠提高零件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和抗衝擊性。
熱處理
由可熱處理鋁合金製成的零件可以進行熱處理以改善其機械性能。
CNC加工鋁零件在工業上的應用
如前所述，鋁合金具有許多優良的性能。因此，數控加工的鋁製零件在包括以下行業在內的多個行業中不可或缺：
- 航太由於鋁材具有很高的強度重量比，因此許多飛機配件都是用機械加工鋁材製成的；
- 汽車業與航空航天工業類似，汽車工業中的許多部件，例如軸和其他組件，都是用鋁製成的；
- 電器類由於鋁材具有高導電性，CNC加工的鋁製零件常被用作電器中的電子元件；
- 食品/藥品由於鋁不會與大多數有機物質發生反應，因此鋁部件在食品和製藥行業中發揮重要作用；
- 體育鋁常用於製造棒球棒、運動哨等體育器材；
- 低溫鋁在零度以下的溫度下仍能保持其機械性能，這使得鋁製零件成為低溫應用的理想選擇。