Aluminij je najpogostejši kovinski element v zemeljski skorji in najpogosteje uporabljena neželezna kovina v sodobni proizvodnji. Pojavlja se v vsakodnevnih izdelkih, kot so gospodinjske folije in pločevinke za pijačo, pa tudi v zahtevnih aplikacijah, kot so strukture vesoljskih plovil in komponente podmornic. Pri CNC obdelavi pa obdelovanec skoraj nikoli ni čisti aluminij: skoraj vsak strojno obdelan del je izdelan iz posebne kovane zlitine in stanja, izbranega zaradi ravnovesja trdnosti, odpornosti proti koroziji, obdelovalnosti, dimenzijske stabilnosti in stroškov.
Ključne lastnosti, ki vplivajo na obdelavo
Aluminij združuje visoko duktilnost in plastičnost z nizko gostoto, dobro električno in toplotno prevodnostjo ter zanesljivo odpornostjo proti koroziji. Ko je sveže odrezana površina izpostavljena zraku, se spontano oblikuje tanek in tesno sprijet oksidni film, ki ščiti spodnjo kovino; isti film se lahko namenoma odebeli z eloksiranjem, ko je potrebna trša, bolj odporna površina. Spodnje značilnosti določajo, kako se material obnaša na obdelovalnem centru.
Gostota:približno 2,70 g/cm3 za običajne zlitine (2,70 za 6061, 2,81 za 7075), kar je približno ena tretjina ogljikovega jekla.
Tališče:približno 660 stopinj C za čisti aluminij, precej pod približno 1450 stopinjami C ogljikovega jekla, zato uporaba pri visokih temperaturah ni primerna.
Toplotna prevodnost:približno 200 do 235 W/(mK) za obdelane zlitine v primerjavi s približno 50 W/(mK) za ogljikovo jeklo; toplota hitro zapusti območje rezanja, vendar se pretaka tudi v vpenjalo in okvir stroja.
Modul elastičnosti:približno 69 GPa, tako da se tanke stene in vitka orodja hitro upogibajo in imajo koristi od rebra ali zmanjšanega radialnega vprijema.
Toplotna ekspanzija:približno 23 x 10-6 na K, kar je približno dvakrat več kot pri jeklu, zaradi česar je nadzor temperature bistven, kadar so tolerance majhne.
Možnost recikliranja:pretaljevanje recikliranega aluminija prihrani do 95 odstotkov energije, potrebne za proizvodnjo primarne kovine.
Iste lastnosti določajo meje materiala. Aluminij je mehkejši od jekla in ni prva izbira za dele, ki morajo preživeti močne udarce ali ekstremne obremenitve. Njegovo visoko toplotno raztezanje in nizko tališče pomenita, da prekomerna toplota pri rezanju povzroča popačenje in otežuje držanje majhnih toleranc, medtem ko njegova nizka togost spodbuja tresenje, ko se nepodprti deli agresivno strojno obdelujejo.
Serija osmih kovanih zlitin
Kovani aluminij je razdeljen na osem serij glede na glavni legirni element. Vsaka serija ima značilen nabor lastnosti in izbira serije običajno bolj odloča o obdelanem delu kot katera koli druga posamezna odločitev.
| serija | Glavni legirni element | Tipične ocene | Obnašanje pri strojni obdelavi |
|---|---|---|---|
| 1000 | Brez, čistost 99,00 odstotkov ali več | 1050, 1060, 1100 | Najmehkejši in najbolj duktilen; najboljša prevodnost; gumijast čips in slabo lomljenje čipsa |
| 2000 | Baker, približno 3 do 5 odstotkov | 2024, 2A16 | Visoka trdnost in trdota; variante prostega rezanja vsebujejo svinec in bizmut; omejena odpornost proti koroziji |
| 3000 | Mangan, približno 1,0 do 1,5 odstotka | 3003, 3004, 3A21 | Dobra obdelovalnost in odpornost proti rji; ni toplotno obdelan |
| 4000 | Silicij, običajno 4,5 do 6,0 odstotkov | 4A01, 4043, 4047 | Nizko tališče; uporablja se za polnilno žico, obloge in obrabno odporne dele |
| 5000 | magnezij | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Samo utrjevanje dela; 5052 vsebuje približno 2,2 do 2,8 odstotka Mg in 5083 približno 4,0 do 4,9 odstotka Mg; močna, žilava in lahko oblikovana |
| 6000 | Magnezij in silicij | 6061, 6063, 6082 | Privzeta izbira za strojno obdelane komponente; padavinsko utrjen z dobro površinsko obdelavo |
| 7000 | Cink, z bakrom in magnezijem | 7075, 7050 | Najvišja trdnost po precipitacijskem utrjevanju; uporaba v vesolju; nižja odpornost proti koroziji |
| 8000 | Drugi elementi, kot sta železo in litij | 8011, 8176 | Ujemite vse serije; 8176 vsebuje približno 0,6 odstotka Fe in 0,1 odstotka Si in se uporablja za prevodno žico |
Zlitin serije 3000, 4000 in 5000 ni mogoče utrjevati s toplotno obdelavo: trdnost pridobijo le s hladnim zmanjševanjem, to je z utrjevanjem. Serija 1000 je najcenejša in najbolj prevodna, seriji 2000 in 7000 zagotavljata najvišjo trdnost, serija 6000 pa ponuja najboljši kompromis med trdnostjo, odpornostjo proti koroziji, varljivostjo in obnašanjem pri obdelavi.
Oznake kaljenja in toplotna obdelava
Oznaka stanja sledi številki zlitine in opisuje metalurško stanje surovine. Za strojno obdelane dele so najpogosteje navedene vrednosti O za žarjeni material, H za napetostno utrjene lastnosti, kot so H14, H22 in H24, ter T za termično obdelano stanje. Skupina T je nadalje razdeljena: T4 zajema toplotno obdelavo v raztopini, ki ji sledi naravno staranje, T5 zajema hlajenje iz procesa oblikovanja pri povišani temperaturi, ki mu sledi umetno staranje, T6 pa zajema toplotno obdelavo v raztopini, ki ji sledi umetno staranje. 6061-T6 in 7075-T6 sta najpogosteje navedeni temperaturi za precizne komponente.
Toplotna obdelava ni obdelovalni parameter, vendar spremeni skoraj vse obdelovalne parametre. Obdelava z raztopino, ki ji sledi umetno staranje, poveča mejo tečenja in trdoto, spremeni tvorbo odrezkov in rezalne sile ter poveča tveganje za popačenje. Ko je del izdelan iz materiala T6, so priporočljivi lahki končni prehodi in palica z razbremenitvijo napetosti, tako da preostale napetosti, sproščene z odstranitvijo materiala, ne potegnejo dela iz tolerance po odprtju vpenjala.
Izbira zlitine za določen strojno obdelan del
Konstrukcijski deli splošnega namena:6061-T6 zagotavlja dobro trdnost, odlično odpornost proti koroziji, varivost in čist eloksiran videz.
Največja trdnost v tankih delih:7075-T6 ponuja najvišjo trdnost med običajnimi razredi, pri čemer je prednost 7050, kjer je treba težke odseke kaliti brez pretirane deformacije.
Obdelava vijakov v velikem obsegu:Stopnje za prosto rezanje 2011 in 2024 čisto lomijo ostružke in prenašajo visoke hitrosti podajanja, za ceno odpornosti proti koroziji.
Električna in toplotna strojna oprema:1050, 1060 in 1100 izkoriščajo največjo prevodnost in najnižje stroške surovin.
Pomorske in tlačne aplikacije:5052 in 5083 sta odporna na udarce slane vode in sta prednostna povsod, kjer odpornost proti koroziji prevlada nad trdnostjo.
Arhitekturni ekstruziji in ohišja:6063 daje gladko eloksirano površino z zmerno trdnostjo.
Praksa strojne obdelave in nadzor procesa
Aluminij se reže pri visokih površinskih hitrostih, pogosto od 200 do 600 m/min, z orodji iz karbidne trdine v 6061-T6, z uporabo poliranih žlebov, velikih nagnjenih kotov in bodisi prelivanja hladilne tekočine ali visokotlačne zračne meglice. Glavna tveganja so nabiranje roba na mehkejših temperamentih, pakiranje ostružkov v globokih žepih in toplotno popačenje v tankih stenah. Ostro orodje s prevleko iz karbidne trdine brez prevleke ali poliranega diamanta, vzpenjanje z lahkim radialnim vpetjem in kratke dolžine žlebov izboljšujejo stabilnost.
Splošne tolerance plus ali minus 0,05 mm so dosegljive na delih srednje velikosti, plus ali minus 0,01 mm pa je realno, če je geometrija toga in toplotno stabilna. Površinska obdelava od Ra 3,2 mikrometra do Ra 0,8 mikrometra je rutinska, eloksiranje, pretvorba s kromatom ali lasersko označevanje pa so običajni naslednji postopki. Kadar se risba sklicuje na splošni tolerančni sistem, se praviloma sklicuje na ISO 2768 v razredu m ali f, mehansko preverjanje končnega dela pa običajno sledi ASTM E8/E8M za testiranje napetosti ali ASTM E384 za trdoto mikrovdolbin.
Pogosto zastavljena vprašanja
V: Katera aluminijeva zlitina je najboljša za CNC obdelane dele?
6061-T6 ustreza večini komponent, ker uravnoteži moč, odpornost proti koroziji, varljivost in ceno. 7075-T6 navedite le, če višja trdnost upravičuje višjo ceno in zmanjšano odpornost proti koroziji, 5083 ali 5052 pa, kjer v zasnovi prevladuje izpostavljenost slani vodi.
V: Ali je mogoče aluminijeve zlitine po strojni obdelavi toplotno obdelati?
Na toplotno obdelavo se odzivajo le zlitine s precipitacijskim utrjevanjem v serijah 2000, 6000 in 7000. Zlitine serije 1000, 3000, 4000 in 5000 so ojačane s hladno obdelavo, zato jih morebitna termična obdelava le zmehča.
V: Zakaj se aluminij med obdelavo deformira?
Kombinacija treh učinkov: nizko tališče omejuje toploto, ki jo material lahko absorbira, koeficient toplotnega raztezanja je približno dvakrat večji kot pri jeklu, preostale napetosti, zaklenjene v valjani ali ekstrudirani material, pa se sprostijo, ko se material odstrani. Zaloga z razbremenitvijo, simetrično odstranjevanje materiala in izdatna hladilna tekočina zmanjšajo težavo.
V: Kako temperament vpliva na obdelovalnost?
Mehkejše temperature, kot sta O in H14, tvorijo dolge gumijaste ostružke, ki se naberejo na rezalnem robu, medtem ko T6 in T651 nastajajo kratke, dobro zlomljene ostružke in omogočajo višje hitrosti rezanja z boljšo končno obdelavo površine na trdno držanih delih.
V: Kakšne tolerance so realne za strojno obdelane dele iz aluminija?
Splošna toleranca plus ali minus 0,05 mm je normalna, plus ali minus 0,02 mm je mogoče doseči z nadzorom temperature, plus ali minus 0,01 mm pa zahteva stabilno vpenjanje, usklajeno orodje in pregled v nadzorovanem okolju.
V: Kako naj bodo aluminijasti deli zaščiteni po strojni obdelavi?
Anodiziranje ustvari trdo oksidno plast za obrabo in videz, kromatni pretvorbeni premaz ohranja prevodnost in hkrati dodaja zaščito pred korozijo, preprosto zaprto pakiranje z zaščito pred parno fazo pa zadostuje za dele, ki bodo pobarvani ali hitro sestavljeni.
