Почему алюминий — материал №1 для обработки с ЧПУ: преимущества, применения и альтернативы

Для проектов обработки с ЧПУ алюминий — один из самых популярных выборов материала благодаря своим желательным физическим свойствам. Он прочен, что делает его идеальным для механических деталей, и его окисленный внешний слой устойчив к коррозии от элементов. Эти преимущества сделали алюминиевые детали распространенными во всех отраслях, хотя они особенно ценятся в автомобильной, авиакосмической, медицинской и потребительской электроники сферах.

Алюминий также предлагает специфические преимущества, которые упрощают и улучшают процесс обработки с ЧПУ. В отличие от многих других металлов с похожими материальными свойствами, алюминий предлагает отличную обрабатываемость: многие его сорты могут быть эффективно пробиты режущими инструментами, легко щепятся при 상대тно легком формировании. Из-за этого алюминий можно обрабатывать более чем в три раза быстрее, чем железо или сталь.

Эта статья объясняет некоторые ключевые преимущества обработки алюминия с ЧПУ — причины, почему это один из наших наиболее широко запрашиваемых прототипирующих и производственных процессов — но также предлагает альтернативы обработки алюминию.

Другие металлы и пластики могут предоставить похожие преимущества к алюминию, в дополнение к уникальным преимуществам своих собственных.

Преимущества обработки алюминия с ЧПУ

• Обрабатываемость
• Коррозионная стойкость
• Отношение прочность/вес
• Электрическая проводимость
• Потенциал анодирования
• Перерабатываемость

Обрабатываемость

Одной из главных причин, почему инженеры выбирают алюминий для своих обрабатываемых деталей, является то, что, просто, материал легко обрабатывается. Пока это может показаться преимуществом для токаря, изготавливающего деталь, оно также имеет значительные преимущества для бизнеса, заказывающего деталь, а также для конечного пользователя, который в конечном счете будет ее использовать.

Поскольку алюминий легко щепится и легко формируется, он может быть быстро и точно разрезан инструментами станка с ЧПУ. Это имеет важные последствия: во-первых, короткий временной рамок обработки делает процесс дешевле (потому что требуется меньше труда от токаря и меньше времени работы от самой машины); во-вторых, хорошая обрабатываемость означает меньшую деформацию детали по мере прохождения режущего инструмента через заготовку. Это может позволить машине соблюдать более строгие допуски (до ±0,025 мм) и ведет к более высокой точности и повторяемости.

Коррозионная стойкость

Разные сорта алюминия сильно различаются в их сопротивлении коррозии — степени, в которой они могут выдерживать окисление и химическое повреждение. К счастью, некоторые из самых популярных сортов для обработки с ЧПУ — самые устойчивые. 6061, например, предлагает отличную коррозионную стойкость, как и другие сплавы на нижнем конце спектра прочности. (Сильные алюминиевые сплавы могут быть менее устойчивы к коррозии из-за наличия легированной меди.)

Отношение прочность/вес

Алюминий имеет желательные физические свойства, делающие его идеальным для механических и аспектных деталей. Два из самых важных — высокая прочность металла и его легкость, оба делают материал благоприятным для критически важных деталей, таких как те, требуемые в авиакосмической и автомобильной отраслях. Авиационные соединения и автомобильные валы — два примера деталей, которые могут быть успешно обработаны с алюминием.

Однако разные сорта алюминия служат разным целям. Благодаря их благоприятному отношению прочность/вес, общего назначения сорта вроде 6061 могут использоваться для широкого спектра деталей, в то время как заметно высокопрочные сорта вроде 7075 могут быть предпочтительны в авиакосмических и морских применениях.

Электрическая проводимость

Обработанные с ЧПУ алюминиевые детали могут быть полезны для электрических компонентов благодаря их электрической проводимости. Хотя не такая проводящая, как медь, чистый алюминий имеет электрическую проводимость около 37,7 миллионов сименс на метр при комнатной температуре. Сплавы могут иметь более низкую проводимость, но алюминиевые материалы значительно более проводящие, чем, например, нержавеющая сталь.

Материал	Проводимость (С/м) при комнатной температуре
Медь	59,6 млн
Алюминий	37,7 млн
Цинк	16,9 млн
Железо	10 млн
Углеродистая сталь	7 млн
Титан	2,4 млн
Нержавеющая сталь	1,5 млн

Потенциал анодирования

Обработанные алюминиевые детали особенно популярны в потребительской электронике, не только для требований прочности и веса, но и из-за важных эстетических соображений. Помимо восприимчивости к краскам и тонированию, алюминий можно обработать анодированием, процедурой отделки поверхности, которая утолщает защитный и окисленный внешний слой детали.

Процесс анодирования, который в целом происходит после завершения обработки, включает пропускание электрического тока через деталь в электролитической кислотной ванне и приводит к куску алюминия, который более устойчив к физическому воздействию и коррозии.

Важно, анодирование делает легче добавление цвета к обработанной алюминиевой детали, так как анодированный внешний слой высокопорист. Красители находят свой путь через пористые участки внешнего слоя и менее вероятно сколются или отслаиваются, так как они встроены в жесткое внешнее покрытие металлической детали.

Перерабатываемость

Другое преимущество алюминия — его высокая перерабатываемость, что делает его предпочтительным для бизнесов, стремящихся минимизировать свое экологическое воздействие или для тех, кто просто хочет снизить материальные отходы и вернуть некоторые свои расходы. Перерабатываемые материалы особенно важны в обработке с ЧПУ, где есть относительно большое количество отходов материала в виде стружки от режущего инструмента.

Альтернативы алюминию в обработке с ЧПУ

Бизнесы могут искать альтернативы алюминию для обработки с ЧПУ по любому числу причин. В конце концов, у металла есть несколько слабостей: его оксидное покрытие может повреждать инструментарий, и он в целом дороже альтернатив вроде стали, отчасти из-за высоких энергозатрат на производство алюминия.

Вот некоторые потенциальные альтернативы обработки алюминию, с акцентом на их различия и сходства с популярным серебристо-серым металлом.

Металлы

Сталь & нержавеющая сталь

Лучше алюминия для:

• Прочность
• Температурная стойкость

Хуже алюминия для:

• Обрабатываемость
• Вес

Стали и нержавеющие стали — широко используемые материалы в обработке с ЧПУ. Благодаря своей высокой прочности, стали склонны быть предпочтительными для высоконапряженных применений и тех, что требуют сильных сварок. Стали устойчивы к очень высоким температурам, и нержавеющие стали могут быть термически обработаны для усиления их коррозионной стойкости.

Однако, пока обрабатываемые стали инженерно спроектированы для улучшенной обрабатываемости, алюминий остается более обрабатываемым из двух материалов. Стали также тяжелее и имеют более высокую твердость, чем алюминий, что может или не может быть желательно в зависимости от применения.

Если температурная стойкость — ключевое соображение, а вес не является, сталь может быть идеальной альтернативой алюминию.

Титан

Лучше алюминия для:

• Отношение прочность/вес

Хуже алюминия для:

• Стоимость

Титан может использоваться как замена вроде к алюминию, так как его первичное преимущество — исключительное отношение прочность/вес — также одно из главных преимуществ алюминия. Титан имеет похожий вес к алюминию, но почти в два раза прочнее. Как алюминий, он также высоко устойчив к коррозии.

Эти преимущества отражаются в более высокой ценовой точке титана. Хотя материал — отличный выбор для деталей вроде авиационных компонентов и медицинских устройств, его стоимость может быть запретительной.

Титан — подходящая альтернатива алюминию, когда легкость — главная забота и, важно, когда производственный бюджет имеет некоторую гибкость.

Магний

Лучше алюминия для:

• Обрабатываемость
• Вес

Хуже алюминия для:

• Безопасность обработки
• Коррозионная стойкость

Хотя не самый распространенный обрабатываемый материал, легкий металл магний предлагает многие преимущества распространенных алюминиевых сплавов. Фактически, магний — один из самых обрабатываемых металлов, делая процесс обработки быстрым и эффективным.

Один потенциальный минус для мастерских? Магниевые стружки крайне легковоспламеняются и усугубляются водой, что означает, что токары должны быть осторожны при очистке обломков.

Латунь

Лучше алюминия для:

• Некоторые эстетические применения

Хуже алюминия для:

• Стоимость

Металл с золотым внешним видом, латунь — высокообрабатываемый металл, доступный при слегка более высокой ценовой точке, чем алюминий. Он обычно виден на деталях вроде клапанов и сопел, а также структурных компонентов, в то время как его высокая обрабатываемость делает его подходящим для высокообъемных заказов.

Медь

Лучше алюминия для:

• Электрическая проводимость

Хуже алюминия для:

• Обрабатываемость

Медь разделяет несколько материальных свойств с алюминием. Однако превосходная электрическая проводимость меди может сделать ее предпочтительной для различных электрических применений. Пока чистая медь трудна в обработке, многие медные сплавы предлагают похожую обрабатываемость к популярным алюминиевым сортам.

Инженерные термопласты

POM (Дерин)

Лучше алюминия для:

• Электрическая изоляция
• Низкое трение

Хуже алюминия для:

• Прочность
• Тепловое сопротивление

Проекты обработки с ЧПУ не должны быть ограничены металлами. Фактически, несколько инженерных термопластов могут соответствовать или превзойти некоторые преимущества алюминия, в зависимости от применения.

Поскольку алюминий часто предпочтителен для своей отличной обрабатываемости, один жизнеспособный пластиковый альтернативный вариант — POM (Дерин), который, как алюминий, высоко подходит для процесса обработки. POM имеет низкую точку плавления, но впечатляюще высокую прочность для пластика.

POM — электрический изолятор, делая его подходящим для деталей вроде электронных корпусов. Он также подходит для механических деталей. Однако, учитывая его радикально отличающееся изолирующее поведение по сравнению с алюминием, он должен использоваться только как замена вроде к в ситуациях, где термическая и электрическая проводимость пренебрежимо малы.

PTFE (Тефлон)

Лучше алюминия для:

• Электрическая изоляция
• Очень низкое трение

Хуже алюминия для:

• Прочность

Как POM, PTFE (Тефлон) — высокообрабатываемый термопласт, который является отличным электрическим изолятором. В отличие от POM, однако, PTFE также устоен к высоким температурам (до 260°C), делая его жизнеспособной альтернативой алюминию для высокотемпературных применений.

Высокая химическая стойкость PTFE также делает его популярным обрабатываемым материалом для деталей, которые будут использоваться в пищевой промышленности.

PEEK

Лучше алюминия для:

• Медицинское применение

Хуже алюминия для:

• Обрабатываемость
• Стоимость

Хотя PEEK труднее обрабатывать, чем предыдущие два термопласта, его высокая прочность и термическая стабильность (устойчиво до 260°C) делают его подлинной альтернативой вроде к алюминию. Популярность PEEK для деталей вроде клапанов, подшипников, насосов и сопел свидетельствует о его металлоподобных способностях.

Один камень преткновения — цена. Как высокопроизводительный полимер, PEEK — один из более дорогих обрабатываемых термопластов, делая его подходящим только для проектов обработки, где повсеместные материалы вроде алюминия непригодны.

ABS

Лучше алюминия для:

• Сопротивление термическому шоку

Хуже алюминия для:

• Прочность

ABS обычно используется как материал впрыска под давлением и, с недавних лет, филамент для 3D-печати. Но пока ABS имеет очень мало общего с алюминием, он остается универсальным и легким материалом для обработки с ЧПУ, предлагая выше среднего ударную прочность.

Больше

Другие обрабатываемые пластики, большинство из которых сильно отличаются от алюминия, включают PC, ABS+PC, PP, PS, PMMA (Акрил), PAGF30, PCGF30, DHPE, HDPE и PPS.

Альтернативы конкретным алюминиевым сортам

Применение	Алюминий	Альтернатива
Общее	6061	Мягкая сталь 1018
Авиакосмическая	7075	Нержавеющая сталь 303
Морская	5083	Нержавеющая сталь 304 Нержавеющая сталь 316
Строительство	5083	Мягкая сталь A36
Пищевая	6061	PTFE PC

Комбинирование обработки с ЧПУ с другими процессами

Если алюминий остается предпочтительным выбором материала для проекта, есть способы комбинировать обработку с ЧПУ с другими производственными процессами для создания более сложных, более высокопроизводительных алюминиевых деталей. Это может максимизировать функциональность алюминия, собирая плоды множественных производственных процессов.

Помимо того, что это все-в-одном производственный процесс, обработка с ЧПУ может использоваться для уточнения или модификации деталей, сделанных с использованием другого оборудования. Экструзия, литье и ковка процессы могут каждый быть дополнены процессом обработки для изготовления лучших алюминиевых компонентов.

Экструзия алюминия + обработка с ЧПУ

Экструзия — процесс принуждения расплавленного материала через апертуру в матрице, производя вытянутый компонент с непрерывным профилем. Пока экструзия алюминия — эффективный способ производства функциональных компонентов с качественными покрытиями поверхности и сложными поперечными сечениями, она ограничена в объеме, так как эти поперечные сечения должны быть последовательны по всей детали.

Если, конечно, деталь не модифицирована после экструзии. Поскольку экструзия алюминия склонна включать ковачее, дуктайльное и обрабатываемое алюминиевые сорта вроде 6061 & 6063, экструдированные детали могут затем быть пост-обработаны — разрезаны различными способами с использованием обрабатывающего центра с ЧПУ.

Комбинирование экструзии алюминия и обработки с ЧПУ — отличный способ производства устойчивых деталей со сложными поперечными сечениями и неправильными геометриями.

Литье под давлением + обработка с ЧПУ

Литье под давлением — производственный процесс, в котором расплавленный металл принудительно вводится в полость формы с высоким давлением. Оно в целом используется при изготовлении деталей в больших количествах, так как требуемые инструментальные стальные матрицы дороги в изготовлении.

Наряду со сталью, магнием и цинком, алюминий — один из более популярных металлов для литья под давлением, и алюминиевые литые под давлением детали в целом имеют отличное покрытие поверхности и размерную последовательность.

Эти преимущества можно комбинировать с преимуществами обработки с ЧПУ. Литая под давлением алюминиевые компоненты, затем добавляя дальнейшие разрезы с использованием обрабатывающего центра, возможно создавать детали с исключительным покрытием и более сложными геометриями, чем было бы возможно с использованием любого процесса в одиночку.

Гравитационное литье можно использовать вместо литья под давлением, если снижение стоимости важнее, чем обеспечение высокой точности или создание тонких стенок.

Инвестиционное литье + обработка с ЧПУ

Инвестиционное литье — металлический литейный процесс, который использует восковые модели для создания металлических деталей. Как и другие литейные процессы, оно производит детали с отличным покрытием поверхности и высокой размерной точностью.

Процесс также производит уникальные преимущества: он может использоваться для создания более изощренных деталей, чем было бы возможно с литьем под давлением, и детали выходят без разъединительных линий.

Алюминиевые сплавы — распространенный материал для инвестиционного литья, и отлитые алюминиевые детали могут быть пост-обработаны для уточнения.

Ковка + обработка с ЧПУ

Многие обрабатываемые алюминиевые сплавы также подходят для древнего процесса ковки, который включает формирование металла через компрессивную силу. (Это часто включает удар по металлу молотом.)

Алюминий 6061, например, подходит для горячей ковки с закрытой матрицей — процесса, обычно используемого для производства автомобильных и промышленных компонентов.

Кованые куски алюминия могут быть пост-обработаны с обрабатывающим центром с ЧПУ. Это может быть полезно по сравнению с обработкой в одиночку, так как кованые детали в целом прочнее полностью отлитых или полностью обработанных эквивалентов. Однако пост-обработка позволяет создавать более сложные геометрии без полной компромисса целостности детали.

Чтобы узнать больше об обработке с ЧПУ с алюминием и другими материалами, свяжитесь с 3ERP.