Aluminium jest najobficiej występującym pierwiastkiem metalicznym w skorupie ziemskiej i najczęściej stosowanym metalem nieżelaznym w nowoczesnej produkcji. Występuje w produktach codziennego użytku, takich jak folie gospodarstwa domowego i puszki po napojach, a także w wymagających zastosowaniach, takich jak konstrukcje statków kosmicznych i komponenty łodzi podwodnych. Jednak w obróbce CNC obrabianym przedmiotem prawie nigdy nie jest czyste aluminium: prawie każda obrobiona część jest wytwarzana z określonego kutego stopu i stanu, wybranego ze względu na równowagę wytrzymałości, odporności na korozję, obrabialności, stabilności wymiarowej i kosztów.
Kluczowe właściwości wpływające na obróbkę
Aluminium łączy w sobie wysoką ciągliwość i plastyczność z niską gęstością, dobrą przewodnością elektryczną i cieplną oraz niezawodną odpornością na korozję. Gdy świeżo cięta powierzchnia zostanie wystawiona na działanie powietrza, spontanicznie tworzy się cienka i ściśle przylegająca warstwa tlenku, która chroni znajdujący się pod nią metal; tę samą folię można celowo pogrubić poprzez anodowanie, gdy wymagana jest twardsza, bardziej odporna na zużycie powierzchnia. Poniższe cechy decydują o tym, jak materiał zachowuje się na centrum obróbczym.
Gęstość:około 2,70 g/cm3 dla typowych stopów (2,70 dla 6061, 2,81 dla 7075), czyli mniej więcej jedną trzecią stali węglowej.
Temperatura topnienia:około 660 stopni C dla czystego aluminium, znacznie poniżej około 1450 stopni C stali węglowej, więc obsługa w wysokiej temperaturze nie jest odpowiednia.
Przewodność cieplna:około 200 do 235 W/(mK) dla stopów do obróbki plastycznej, w porównaniu z około 50 W/(mK) dla stali węglowej; ciepło szybko opuszcza strefę cięcia, ale wpływa również do uchwytu i ramy maszyny.
Moduł sprężystości:około 69 GPa, dzięki czemu cienkie ścianki i smukłe narzędzia łatwo się uginają i korzystają z użebrowania lub zmniejszonego zazębienia promieniowego.
Rozszerzalność cieplna:około 23 x 10-6 na K, mniej więcej dwa razy więcej niż w przypadku stali, co sprawia, że kontrola temperatury jest niezbędna, gdy tolerancje są wąskie.
Możliwość recyklingu:przetapianie aluminium pochodzącego z recyklingu pozwala zaoszczędzić do 95 procent energii potrzebnej do wytworzenia metalu pierwotnego.
Te same cechy wyznaczają granice materiału. Aluminium jest bardziej miękkie niż stal i nie jest pierwszym wyborem w przypadku części, które muszą wytrzymać duże uderzenia lub ekstremalne obciążenia. Wysoka rozszerzalność cieplna i niska temperatura topnienia oznaczają, że nadmierne ciepło skrawania powoduje odkształcenia i sprawia, że wąskie tolerancje są trudne do utrzymania, a niska sztywność sprzyja drganiom, gdy niepodparte sekcje są obrabiane agresywnie.
Seria ośmiu kutych stopów
Kute aluminium dzieli się na osiem serii w zależności od głównego pierwiastka stopowego. Każda seria ma charakterystyczny zestaw właściwości, a wybór serii zwykle decyduje bardziej o obrabianej części niż jakakolwiek inna pojedyncza decyzja.
| Szereg | Główny pierwiastek stopowy | Typowe stopnie | Zachowanie podczas obróbki |
|---|---|---|---|
| 1000 | Brak, czystość 99,00 procent lub wyższa | 1050, 1060, 1100 | Najmiększy i najbardziej plastyczny; najlepsza przewodność; gumowate wióry i słabe łamanie wiórów |
| 2000 | Miedź, około 3 do 5 procent | 2024, 2A16 | Wysoka wytrzymałość i twardość; warianty swobodnego cięcia zawierają ołów i bizmut; ograniczona odporność na korozję |
| 3000 | Mangan, około 1,0 do 1,5 procent | 3003, 3004, 3A21 | Dobra urabialność i odporność na rdzę; nie nadaje się do obróbki cieplnej |
| 4000 | Krzem, zwykle od 4,5 do 6,0 procent | 4A01, 4043, 4047 | Niska temperatura topnienia; stosowany do drutu elektrodowego, okładzin i części odpornych na zużycie |
| 5000 | Magnez | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Tylko utwardzanie przez zgniot; 5052 zawiera około 2,2 do 2,8 procent Mg, a 5083 około 4,0 do 4,9 procent Mg; mocny, wytrzymały i łatwo się formuje |
| 6000 | Magnez i krzem | 6061, 6063, 6082 | Domyślny wybór dla komponentów obrabianych; Utwardzany wydzieleniowo, zapewniający dobre wykończenie powierzchni |
| 7000 | Cynk z miedzią i magnezem | 7075, 7050 | Najwyższa wytrzymałość po utwardzeniu wydzieleniowym; zastosowanie w lotnictwie; niższa odporność na korozję |
| 8000 | Inne pierwiastki, takie jak żelazo i lit | 8011, 8176 | Złap wszystkie serie; 8176 zawiera około 0,6 procent Fe i 0,1 procent Si i jest używany na drut przewodzący |
Stopów serii 3000, 4000 i 5000 nie można wzmacniać poprzez obróbkę cieplną: zyskują one wytrzymałość jedynie poprzez redukcję na zimno, czyli umocnienie przez zgniot. Seria 1000 jest najtańsza i najbardziej przewodząca, serie 2000 i 7000 zapewniają najwyższą wytrzymałość, a seria 6000 oferuje najlepszy kompromis pomiędzy wytrzymałością, odpornością na korozję, spawalnością i zachowaniem podczas obróbki.
Oznaczenia temperamentu i obróbka cieplna
Oznaczenie stanu następuje po numerze stopu i opisuje stan metalurgiczny półproduktu. W przypadku części obrabianych najczęściej określa się stany O dla materiału wyżarzonego, H dla utwardzania przez odkształcenie, takie jak H14, H22 i H24, oraz T dla stanów poddanych obróbce cieplnej. Grupa T jest dalej podzielona: T4 obejmuje obróbkę cieplną przesycającą, po której następuje naturalne starzenie, T5 obejmuje chłodzenie w procesie kształtowania w podwyższonej temperaturze, po którym następuje sztuczne starzenie, a T6 obejmuje obróbkę cieplną przesycającą, po której następuje sztuczne starzenie. 6061-T6 i 7075-T6 to dwa stany odpuszczania najczęściej podawane w przypadku elementów precyzyjnych.
Obróbka cieplna nie jest parametrem obróbki, ale zmienia prawie każdy parametr obróbki. Obróbka roztworowa, po której następuje sztuczne starzenie, zwiększa granicę plastyczności i twardość, zmienia powstawanie wiórów i siły skrawania oraz zwiększa ryzyko odkształcenia. Gdy część jest produkowana z półfabrykatu T6, zalecane są lekkie przejścia wykończeniowe i pręty odprężane, aby naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku usuwania materiału nie spowodowały wyciągnięcia części poza tolerancję po otwarciu mocowania.
Wybór stopu dla określonej części obrabianej
Części konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia:6061-T6 zapewnia dobrą wytrzymałość, doskonałą odporność na korozję, spawalność i czysty anodowany wygląd.
Najwyższa wytrzymałość w cienkich przekrojach:7075-T6 oferuje najwyższą wytrzymałość spośród popularnych gatunków, przy czym 7050 jest preferowany tam, gdzie ciężkie profile muszą być hartowane bez nadmiernych odkształceń.
Obróbka śrub o dużej wydajności:Gatunki o swobodnym skrawaniu z lat 2011 i 2024 łatwo łamią wióry i tolerują duże posuwy, kosztem odporności na korozję.
Sprzęt elektryczny i termiczny:1050, 1060 i 1100 charakteryzują się najwyższą przewodnością i najniższym kosztem surowców.
Zastosowania morskie i ciśnieniowe:Stale 5052 i 5083 są odporne na działanie słonej wody i są preferowane wszędzie tam, gdzie odporność na korozję przewyższa wytrzymałość.
Profile i obudowy architektoniczne:6063 daje gładką powierzchnię anodującą o umiarkowanej wytrzymałości.
Praktyka obróbki i kontrola procesu
Aluminium tnie się z dużymi prędkościami powierzchniowymi, często od 200 do 600 m/min, za pomocą narzędzi z węglików spiekanych 6061-T6, przy użyciu polerowanych rowków, dużych kątów natarcia i chłodziwa lub mgły powietrznej pod wysokim ciśnieniem. Główne zagrożenia to narastanie krawędzi w przypadku łagodniejszego temperamentu, gromadzenie się wiórów w głębokich kieszeniach i odkształcenia termiczne w cienkich ścianach. Ostre, niepowlekane narzędzia z węglika lub polerowanego diamentu, frezowanie współbieżne z lekkim promieniowym zaangażowaniem i krótkie długości rowków ostrzowych poprawiają stabilność.
W przypadku części średniej wielkości można osiągnąć ogólne tolerancje plus minus 0,05 mm, a plus minus 0,01 mm jest realistyczne, gdy geometria jest sztywna i stabilna termicznie. Wykończenie powierzchni od Ra 3,2 mikrometra do Ra 0,8 mikrometra jest rutynowe, a anodowanie, chromianowa powłoka konwersyjna lub znakowanie laserowe są częstymi kolejnymi operacjami. Tam, gdzie rysunek odwołuje się do ogólnego systemu tolerancji, z reguły odwołuje się do normy ISO 2768 w klasie m lub f, a weryfikacja mechaniczna gotowej części zazwyczaj odbywa się zgodnie z normą ASTM E8/E8M w przypadku próby rozciągania lub ASTM E384 w przypadku twardości z mikrowcięciami.
Często zadawane pytania
P: Który stop aluminium jest najlepszy do części obrabianych CNC?
6061-T6 pasuje do większości komponentów, ponieważ równoważy wytrzymałość, odporność na korozję, spawalność i koszt. Wybierz 7075-T6 tylko tam, gdzie wyższa wytrzymałość uzasadnia wyższą cenę i zmniejszoną odporność na korozję, oraz 5083 lub 5052, gdzie w projekcie dominuje narażenie na słoną wodę.
P: Czy stopy aluminium można poddać obróbce cieplnej po obróbce?
Tylko stopy utwardzane wydzieleniowo z serii 2000, 6000 i 7000 poddają się obróbce cieplnej. Stopy serii 1000, 3000, 4000 i 5000 są wzmacniane poprzez obróbkę na zimno, zatem jakakolwiek obróbka cieplna jedynie je zmiękczy.
P: Dlaczego aluminium odkształca się podczas obróbki?
Łączą się w sobie trzy efekty: niska temperatura topnienia ogranicza ciepło, jakie może pochłonąć materiał, współczynnik rozszerzalności cieplnej jest około dwukrotnie większy niż w przypadku stali, a naprężenia szczątkowe uwięzione w walcowanym lub wytłaczanym półfabrykacie są uwalniane w miarę usuwania materiału. Obróbka odprężona, symetryczne usuwanie materiału i duża ilość chłodziwa redukują problem.
P: Jak temperament wpływa na skrawalność?
Łagodniejsze gatunki, takie jak O i H14, tworzą długie, gumowate wióry gromadzące się na krawędzi skrawającej, podczas gdy gatunki T6 i T651 wytwarzają krótkie, dobrze łamane wióry i umożliwiają wyższe prędkości skrawania z lepszym wykończeniem powierzchni sztywno trzymanych części.
P: Jakie tolerancje są realistyczne dla części obrabianych z aluminium?
Ogólna tolerancja plus minus 0,05 mm jest normalna, plus minus 0,02 mm można osiągnąć przy kontroli temperatury, a plus minus 0,01 mm wymaga stabilnego mocowania, dopasowanego oprzyrządowania i kontroli w kontrolowanym środowisku.
P: Jak należy chronić części aluminiowe po obróbce?
Anodowanie tworzy twardą warstwę tlenku zwiększającą zużycie i wygląd, chromianowa powłoka konwersyjna utrzymuje przewodność, jednocześnie zwiększając ochronę przed korozją, a proste, szczelne opakowanie z ochroną w fazie gazowej jest wystarczające w przypadku części, które będą szybko malowane lub montowane.
