Alumīnijs ir visizplatītākais metāla elements Zemes garozā un visplašāk izmantotais krāsainais metāls mūsdienu ražošanā. Tas parādās ikdienas produktos, piemēram, sadzīves folijā un dzērienu skārdenēs, kā arī prasīgos lietojumos, piemēram, kosmosa kuģu konstrukcijās un zemūdens komponentēs. Tomēr CNC apstrādē apstrādājamā detaļa gandrīz nekad nav tīrs alumīnijs: gandrīz katra apstrādātā daļa tiek ražota no noteikta sakausējuma un rūdījuma, kas izvēlēts, lai līdzsvarotu izturību, izturību pret koroziju, apstrādājamību, izmēru stabilitāti un izmaksas.
Galvenās īpašības, kas ietekmē apstrādi
Alumīnijs apvieno augstu elastību un plastiskumu ar zemu blīvumu, labu elektrisko un siltuma vadītspēju un uzticamu izturību pret koroziju. Kad svaigi griezta virsma tiek pakļauta gaisa iedarbībai, spontāni veidojas plāna un cieši pielipusi oksīda plēve, kas aizsargā apakšā esošo metālu; to pašu plēvi var apzināti sabiezināt, anodējot, ja nepieciešama cietāka, nodilumizturīgāka virsma. Tālāk norādītie raksturlielumi nosaka, kā materiāls uzvedas apstrādes centrā.
Blīvums:apmēram 2,70 g/cm3 parastajiem sakausējumiem (2,70 6061, 2,81 7075), kas ir aptuveni viena trešdaļa no oglekļa tērauda.
Kušanas temperatūra:aptuveni 660 grādi C tīram alumīnijam, krietni zem aptuveni 1450 grādi C oglekļa tēraudam, tāpēc augstas temperatūras apkalpošana nav piemērota.
Siltumvadītspēja:aptuveni 200 līdz 235 W/(mK) kaltiem sakausējumiem pret aptuveni 50 W/(mK) oglekļa tēraudam; siltums ātri atstāj griešanas zonu, bet arī ieplūst armatūrā un mašīnas rāmī.
Elastības modulis:apmēram 69 GPa, tāpēc plānās sienas un slaidie instrumenti viegli novirzās un gūst labumu no rievojumu vai samazinātas radiālās saķeres.
Termiskā izplešanās:apmēram 23 x 10-6 uz K, aptuveni divas reizes vairāk nekā tēraudam, tāpēc temperatūras kontrole ir būtiska, ja pielaides ir ierobežotas.
Pārstrādājamība:pārstrādāta alumīnija pārkausēšana ļauj ietaupīt līdz pat 95 procentiem enerģijas, kas nepieciešama primārā metāla ražošanai.
Tie paši raksturlielumi nosaka materiāla robežas. Alumīnijs ir mīkstāks par tēraudu un nav pirmā izvēle detaļām, kurām jāiztur smagi triecieni vai lielas slodzes. Tā augstā termiskā izplešanās un zemā kušanas temperatūra nozīmē, ka pārmērīgais griešanas karstums izraisa deformāciju un apgrūtina tuvās pielaides noturēšanu, savukārt tā zemā stingrība veicina pļāpāšanu, kad neatbalstītas sekcijas tiek apstrādātas agresīvi.
Astoņu kalto sakausējumu sērija
Apstrādāts alumīnijs ir sadalīts astoņās sērijās atbilstoši galvenajam sakausējuma elementam. Katrai sērijai ir raksturīga īpašību kopa, un sērijas izvēle parasti nosaka vairāk par apstrādāto daļu nekā jebkurš cits lēmums.
| sērija | Galvenais leģējošais elements | Tipiskas atzīmes | Uzvedība apstrādē |
|---|---|---|---|
| 1000 | Nav, tīrība 99,00 procenti vai augstāka | 1050, 1060, 1100 | Mīkstākais un elastīgākais; labākā vadītspēja; sveķainas čipsi un slikta skaidu sadalīšana |
| 2000 | Varš, apmēram 3 līdz 5 procenti | 2024, 2A16 | Augsta izturība un cietība; bezmaksas griešanas varianti satur svinu un bismutu; ierobežota izturība pret koroziju |
| 3000 | Mangāns, apmēram 1,0 līdz 1,5 procenti | 3003, 3004, 3A21 | Laba apstrādājamība un izturība pret rūsu; nav termiski apstrādājams |
| 4000 | Silīcijs, parasti no 4,5 līdz 6,0 procentiem | 4A01, 4043, 4047 | Zema kušanas temperatūra; izmanto pildvadiem, apšuvumiem un nodilumizturīgām detaļām |
| 5000 | Magnijs | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Tikai darba rūdīšana; 5052 satur apmēram 2,2 līdz 2,8 procentus Mg un 5083 aptuveni 4,0 līdz 4,9 procentus Mg; stiprs, izturīgs un viegli veidojams |
| 6000 | Magnijs un silīcijs | 6061, 6063, 6082 | Noklusējuma izvēle mehāniski apstrādātiem komponentiem; nokrišņu rūdāma ar labu virsmas apdari |
| 7000 | Cinks, ar varu un magniju | 7075, 7050 | Augstākā izturība pēc nokrišņu sacietēšanas; kosmosa izmantošana; zemāka izturība pret koroziju |
| 8000 | Citi elementi, piemēram, dzelzs un litijs | 8011, 8176 | Noķer visas sērijas; 8176 satur apmēram 0,6 procentus Fe un 0,1 procentus Si, un to izmanto vadītāju vadiem |
3000., 4000. un 5000. sērijas sakausējumus nevar stiprināt ar termisko apstrādi: tie iegūst spēku tikai aukstuma reducēšanas rezultātā, tas ir, sacietējot. 1000. sērija ir lētākā un vadošākā, 2000. un 7000. sērija nodrošina visaugstāko izturību, un 6000. sērija piedāvā vislabāko kompromisu starp izturību, izturību pret koroziju, metināmību un apstrādes darbību.
Temperatūras apzīmējumi un termiskā apstrāde
Temperatūras apzīmējums seko sakausējuma numuram un apraksta krājuma metalurģisko stāvokli. Mehāniski apstrādātām detaļām visbiežāk norādītās temperatūras ir O atlaidinātam materiālam, H spriedzes rūdītam rūdījumam, piemēram, H14, H22 un H24, un T termiski apstrādātam rūdījumam. T grupa ir sīkāk sadalīta: T4 attiecas uz šķīduma termisko apstrādi, kam seko dabiska novecošana, T5 attiecas uz dzesēšanu no paaugstinātas temperatūras formēšanas procesa, kam seko mākslīga novecošana, un T6 attiecas uz termisko apstrādi ar šķīdumu, kam seko mākslīga novecošana. 6061-T6 un 7075-T6 ir divi visbiežāk minētie precizitātes komponenti.
Termiskā apstrāde nav apstrādes parametrs, taču tā maina gandrīz katru apstrādes parametru. Šķīduma apstrāde, kam seko mākslīga novecošana, palielina tecēšanas spēku un cietību, maina skaidu veidošanos un griešanas spēkus, kā arī palielina deformācijas risku. Ja detaļa tiek ražota no T6 izejmateriāla, ir ieteicamas vieglas apdares caurlaides un sprieguma samazināšanas stienis, lai materiāla noņemšanas radītie atlikušie spriegumi neizrautu daļu no pielaides pēc armatūras atvēršanas.
Sakausējuma izvēle noteiktai mehāniski apstrādātai detaļai
Vispārējas nozīmes konstrukcijas daļas:6061-T6 nodrošina labu izturību, izcilu izturību pret koroziju, metināmību un tīru anodētu izskatu.
Vislielākā izturība plānās sekcijās:7075-T6 piedāvā augstāko izturību no parastajām kategorijām, ar 7050 priekšroka tiek dota gadījumos, kad smagas daļas ir jādzēš bez pārmērīgiem kropļojumiem.
Liela apjoma skrūvju apstrāde:2011. un 2024. gada bezmaksas griešanas pakāpes tīri sadala skaidas un iztur lielus padeves ātrumus, kas maksā izturību pret koroziju.
Elektriskā un termiskā aparatūra:1050, 1060 un 1100 izmanto visaugstāko vadītspēju un zemākās izejmateriālu izmaksas.
Jūras un spiediena lietojumi:5052 un 5083 ir izturīgi pret sālsūdens iedarbību un ir ieteicami visur, kur izturība pret koroziju pārsniedz izturību.
Arhitektūras ekstrūzijas un korpusi:6063 nodrošina gludu anodējošu virsmu ar mērenu izturību.
Apstrādes prakse un procesa kontrole
Alumīnijs tiek griezts ar lielu virsmas ātrumu, bieži no 200 līdz 600 m/min ar karbīda instrumentu 6061-T6, izmantojot pulētas rievas, plašus slīpuma leņķus un vai nu applūst dzesēšanas šķidrumu vai augstspiediena gaisa miglu. Galvenie riski ir uzkrāta mala uz mīkstākām vēsmām, skaidu iepakošana dziļās kabatās un termiski kropļojumi plānās sienās. Asi, nepārklāti karbīda vai pulēta dimanta pārklājuma instrumenti, kāpšanas frēzēšana ar vieglu radiālu saķeri un īsi viļņu garumi uzlabo stabilitāti.
Vispārējās pielaides plus vai mīnus 0,05 mm ir sasniedzamas vidēja izmēra detaļām, un plus vai mīnus 0,01 mm ir reālas, ja ģeometrija ir stingra un termiski stabila. Virsmas apdare no Ra 3,2 mikrometriem līdz Ra 0,8 mikrometriem ir ierasta lieta, un anodēšana, hromāta pārklāšana vai lāzera marķēšana ir izplatītas turpmākās darbības. Ja zīmējums atsaucas uz vispārēju pielaides sistēmu, parasti atsaucas uz ISO 2768 klasē m vai f, un gatavās daļas mehāniskā pārbaude parasti tiek veikta pēc ASTM E8/E8M spriegojuma pārbaudei vai ASTM E384 attiecībā uz mikroievilkumu cietību.
Bieži uzdotie jautājumi
J: Kurš alumīnija sakausējums ir vislabākais CNC apstrādātajām detaļām?
6061-T6 ir piemērots lielākajai daļai komponentu, jo tas līdzsvaro izturību, izturību pret koroziju, metināmību un izmaksas. Norādiet 7075-T6 tikai tad, ja augstāka izturība attaisno augstāku cenu un samazinātu izturību pret koroziju, un 5083 vai 5052, ja dizainā dominē sālsūdens iedarbība.
J: Vai alumīnija sakausējumus var termiski apstrādāt pēc apstrādes?
Tikai 2000., 6000. un 7000. sērijas nokrišņu cietināšanas sakausējumi reaģē uz termisko apstrādi. 1000., 3000., 4000. un 5000. sērijas sakausējumi tiek stiprināti ar aukstu darbu, tāpēc jebkura termiskā apstrāde tos tikai mīkstinās.
J: Kāpēc alumīnijs deformējas apstrādes laikā?
Apvienojas trīs efekti: zemā kušanas temperatūra ierobežo siltumu, ko materiāls var absorbēt, termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni divas reizes lielāks nekā tēraudam, un atlikušie spriegumi, kas bloķēti velmētā vai ekstrudētā materiālā, tiek atbrīvoti, noņemot materiālu. Sprieguma mazināšana, simetriska materiāla noņemšana un bagātīgs dzesēšanas šķidrums samazina problēmu.
J: Kā temperaments ietekmē apstrādājamību?
Mīkstāks rūdījums, piemēram, O un H14, veido garas gumijas skaidas, kas uzkrājas uz griešanas malas, savukārt T6 un T651 rūdījums rada īsas, labi salauztas skaidas un nodrošina lielāku griešanas ātrumu ar labāku virsmas apdari stingri turētām daļām.
J: Kādas pielaides ir reālas alumīnija apstrādātām detaļām?
Vispārējā pielaide plus vai mīnus 0,05 mm ir normāla, plus vai mīnus 0,02 mm ir sasniedzama ar temperatūras kontroli, un plus vai mīnus 0,01 mm prasa stabilu stiprinājumu, saskaņotus instrumentus un pārbaudi kontrolētā vidē.
J: Kā alumīnija detaļas jāaizsargā pēc apstrādes?
Anodēšana veido cietu oksīda slāni, lai nodrošinātu nodilumu un izskatu, hromāta konversijas pārklājums saglabā vadītspēju, vienlaikus nodrošinot aizsardzību pret koroziju, un detaļām, kuras tiks ātri nokrāsotas vai samontētas, pietiek ar vienkāršu noslēgtu iepakojumu ar tvaika fāzes aizsardzību.
