Обработка алюминия: инструменты, технологии и операции

Что такое обработка алюминия?

Механическая обработка — это вычитающий производственный процесс, при котором материал удаляется с заготовки для создания желаемой детали или изделия. Он высокоуниверсален и подходит для широкого спектра металлических и неметаллических материалов. Один из самых распространенных материалов в механической обработке — алюминий.

Благодаря малому весу, низкой твердости и высокой формовочности алюминий идеален для механической обработки и других производственных операций. Ниже мы рассмотрим преимущества алюминия для обработки, его использование в различных процессах и типичные детали из алюминия.

Обзор процессов обработки алюминия

«Механическая обработка» — это общий термин, охватывающий ряд вычитающих процессов: фрезерование, токарная обработка, сверление. Существует также несколько технологий и методов: ЧПУ-обработка, швейцарское винтовое дело, вертикальное и горизонтальное фрезерование, электроэрозионная обработка (ЭЭО). Ниже описано, как алюминий обрабатывается каждым из этих методов.

• ЧПУ-обработка (CNC): Процесс использует компьютерное ПО и совместимое с ЧПУ оборудование для управления движением режущих инструментов по поверхности заготовки. Обеспечивает производство высокоточных деталей из алюминия.
• Швейцарское винтовое дело: Идеально для производства малых, но высокоточных цилиндрических компонентов из алюминия, таких как электронные или медицинские детали.
• Вертикальное/горизонтальное фрезерование: Фрезерование использует вращающиеся режущие инструменты для удаления лишнего материала. Оборудование может иметь вертикальную или горизонтальную конфигурацию; вертикальные станки подходят для малых партий простых деталей, горизонтальные — для крупных партий сложных деталей.
• Электроэрозионная обработка (ЭЭО): ЭЭО использует электрический разряд между двумя электродами для удаления материала. Обычно применяется для твердых и труднобрабатываемых материалов, но подходит для любого электропроводящего материала, включая алюминий.

Почему алюминий может быть сложен в обработке?

Если вы делаете кронштейн для фермера Джо, неважно, насколько эффективно вы удаляете материал. Но если вы делаете 10 000 кронштейнов в неделю для Джо-хустлера, нужно делать работу как следует.

Главная сложность эффективной обработки алюминия — достижение максимальных скоростей снятия материала без поломки инструмента.

Алюминий может плавиться и паяться к инструменту при избыточном тепла. Поэтому, хотя он режется как масло, это не продлится долго, если алюминий прилипнет к инструменту, и вы будете делать трение сварку вместо обработки.

Помимо минимизации трения, вибрации (chatter) могут стать проблемой при нагрузке на станок. Это особенно критично при обработке чистых карманов. Хватит жаловаться — перейдем к тому, как добиться отличных результатов.

Режущие инструменты для алюминия

Ни при каких обстоятельствах не используйте универсальные резаки для алюминия. Технически они сработают, но алюминий принципиально отличается от стали.

Вот несколько аспектов выбора инструмента, которые помогут максимально использовать возможности станка.

Материал режущего инструмента

Твердый сплав (карбид): Надеюсь, это очевидно. Даже в невысокопроизводительных приложениях твердый сплав превосходит быстродельную сталь по стоимости владения на срок службы и качеству шероховатости.

Все равно есть несколько важных нюансов о твердом сплаве, которые помогут подобрать идеальный инструмент. По сути, нужно понять, чего мы хотим от инструмента. Алюминий — мягкий к резанию материал, то есть инструмент не испытывает жестких ударных нагрузок при резании.

Критично сохранить бритвенно-острую кромку. Поэтому выбираем твердость вместо вязкости для материала. На это свойство влияют два фактора: размер зерна твердого сплава и соотношение связующего.

По размеру зерна: крупное зерно дает более твердый материал, мелкое — более ударопрочный, вязкий. Для алюминия нам нужна сохранность остроты кромки, поэтому выбираем мелкозернистый сплав для максимального удержания кромки.

Другой фактор — соотношение связующего. Для режущих инструментов из твердого сплава связующее — кобальт. Содержание кобальта может быть 2–20%. Поскольку кобальт мягче зерен твердого сплава, больше кобальта — более вязкий инструмент, меньше — более твердый. Ищем резак с крупным размером зерна и низким содержанием кобальта.

Подача и скорость

Многие просто берут 1000 SFM (фут/мин) для расчета оборотов. Если вы так делаете, вы не быстрее остальных.

Честно говоря, это обычно рекомендуемая скорость для большинства резаков. 1000–1500 SFM — вполне нормальная скорость шпинделя. С гармоническим тестированием можно достичь в 3 раза большей скорости. Об этом позже.

Подача — где многие боятся. Если вы подаете фрезу 1/2" всего на 0,003" на зуб, вы просто тратите время. Для серийного производства нужно подавать минимум 1% диаметра резака на зуб. Это значит, что фреза 1/2" должна работать с подачей не менее 0,005" на зуб. При стабильной установке и коротком вылете инструмента можно даже удвоить это значение.

Единственное исключение — мелкие инструменты, 1/8" и меньше. Сортировка стружки может стать проблемой, поэтому придется снизить подачу для более тонких стружек.

Основные операции обработки алюминия

Список частых операций с алюминием и советы для каждой.

1. Надрез (Facing)

Если используете насадную фрезу, обязательно выбирайте агрессивный угол наклона и полированные пластины. Шероховатость будет отличной, и можно будет сильно поднять обороты.

2. Фрезерование карманов (Pocketing)

Многие делают это неправильно. Если делать приступ на половину диаметра фрезы и глубину половину диаметра, вы ошибаетесь по двум причинам:

Фреза выдерживает больше. Делайте почти полную ширину. Мой стандарт — 95% рабочей части фрезы. Причина: фреза всё равно будет «закопана» в углах. Придется снижать подачу, чтобы инструмент не сломан в углах. Если делать 100%, могут получиться бумажные прослойки между проходами из-за деформации инструмента и материала.

Приступ 50% ужасен для гармоник при черновой обработке на приличной скорости. Удар входа инструмента в заготовку происходит в худшей точке — каждый зуб хлопает. Даже увеличение приступа до 65% заметно снижает вибрации.

Еще совет: используйте диаметр фрезы немного меньше внутреннего радиуса кармана. Если фрезой 1/2" режете карманы с радиусом 1/4", инструмент будет задирать углы при смене направления из-за вибраций. На высоких скоростях инструмент не меняет направление мгновенно, снимается режущее давление — отсюда писк.

Обычно прошу увеличить радиусы до 0,265" для чистых углов. Это уменьшает контакт инструмента с геометрией детали. Станок также проходит скругленный поворот на более высокой скорости. Представьте машину на трассе: в острый поворот она замедляется, при большем радиусе — не нужно.

Это практически устраняет писк в углах, портящий внешний вид деталей.

3. Щелевое фрезерование (Slotting)

Для глубоких щелей два хороших варианта: трохоидальное фрезерование для снижения деформации и вибраций, или фреза с короткой рабочей частью (stub flute).

Лично предпочитаю stub flute — инструмент значительно прочнее, и нет пустых ходов при движении туда-сюда. Глубокое щелевое фрезерование — случай, когда специализированный инструмент оправдан.

Для неглубоких щелей (до 4D) особых мер не требуется. Просто работайте.

4. Сверление (Drilling)

Используйте. Острые. Сверла. Карбидные сверла не всегда ответ; нет смысла гонять дорогое карбидное сверло, если нет оборотов шпинделя или производственных объемов для окупаемости.

В общем, просто используйте сверло с точкой 135° с перекрестной заточкой — и будет нормально. Если на вершине сверла есть перепонка (web), вы вносите много лишнего тепла в рез.

5. Нарезание резьбы (Tapping)

Универсальные штампы технически работают, но штампы специально для алюминия значительно надежнее. У них более агрессивный угол наклона — чищее резанье и меньше тепла.

И не стесняйтесь с оборотами. Если никогда не поднимаетесь выше 200 об/мин — просто тратите время. Конечно, некоторые станки старые и уставшие, с большим люфтом, на них быстрее не поработаешь. Но на таких станках вы и так не будете конкурентоспособны. Суть: нарезание резьбы в алюминии простое, не тратьте время впустую.

Как получить отличное качество поверхности на алюминии

Высокие обороты. Не большой секрет. Крутите на максимум.

Использование чистового инструмента с бритвенно-острым лезвием, высоким спиралем и агрессивными углами наклона также поможет получить зеркальную поверхность.

Однако не стоит тратить время на излишнюю эстетику, если она не требуется. Иногда хочется впечатлить заказчика, но помните: есть разница между блеском и низким Ra.

Стоит сделать расчеты шероховатости, чтобы определить максимальную подачу для чистовых проходов. Обычно считаю, а потом занижаю на 10% для запаса. Если балансировать на грани, ошибетесь в половине случаев.

Преимущества использования алюминия в механической обработке

Помимо отличной обрабатываемости, алюминий демонстрирует характеристики, делающие его подходящим для обработки:

• Высокое соотношение прочность/вес: Алюминий одновременно прочен и легок — критично для высоконагруженных деталей в авиации и автопроме.
• Коррозионная стойкость: Алюминий представлен несколькими марками, отличающимися коррозионной стойкостью. В обработке чаще всего используют марку 6061 с отличной стойкостью.
• Электрическая проводимость: Алюминий обладает большей проводимостью (~37,7 млн См/м при комнатной температуре), чем углеродистая сталь (7 млн См/м) и нержавейка (1,5 млн См/м). Подходит для электротехнических деталей.
• Потенциал отделки и анодирования: Алюминий хорошо поддается покрытиям: покраске, тонировке, анодированию. Позволяет улучшить функциональные и эстетические свойства.
• Перерабатываемость: Алюминий высоко перерабатываем, позволяя повторно использовать лом от обработки и утилизированные изделия.
• Доступность: По сравнению с латью, титаном и PEEK, алюминий дешевле без существенной потери производительности. Хорошая обрабатываемость снижает затраты на производство, малый вес — на транспортировку.

Как указано, обработка подходит для множества материалов: металлов, пластиков, бумаги, дерева. Помимо алюминия, часто используют сталь, нержавейку, термопласты. По сравнению с ними алюминий дает преимущества:

По сравнению со сталью и нержавейкой алюминий намного легче и лучше обрабатывается.

Типичные детали из алюминия после обработки

Специалисты используют алюминий для производства разнообразных деталей, применяемых в широких отраслях:

• Автопром
• Авиакосмическая
• Связь
• Электротехника и электроника
• Светотехника
• Медицина

Примеры: шплинты, экранирующие корпуса, фронтальные панели, световые приборы, медицинские приборы, шлицевые валы.