Aluminij je najzastupljeniji metalni element u Zemljinoj kori i najrašireniji obojeni metal u modernoj proizvodnji. Pojavljuje se u svakodnevnim proizvodima kao što su folije za kućanstvo i limenke za piće, ali iu zahtjevnim primjenama kao što su strukture svemirskih letjelica i komponente podmornica. U CNC obradi, međutim, obradak gotovo nikada nije čisti aluminij: gotovo svaki strojno obrađeni dio proizveden je od specifične kovane legure i stanja, odabranog radi ravnoteže čvrstoće, otpornosti na koroziju, obradivosti, stabilnosti dimenzija i cijene.
Ključna svojstva koja utječu na strojnu obradu
Aluminij kombinira visoku duktilnost i plastičnost s niskom gustoćom, dobrom električnom i toplinskom vodljivošću i pouzdanom otpornošću na koroziju. Kada je svježe izrezana površina izložena zraku, spontano se stvara tanak i čvrsto prianjajući oksidni film koji štiti metal ispod; isti se film može namjerno podebljati anodiziranjem kada je potrebna čvršća površina otpornija na habanje. Donje karakteristike određuju kako će se materijal ponašati na obradnom centru.
Gustoća:oko 2,70 g/cm3 za uobičajene legure (2,70 za 6061, 2,81 za 7075), otprilike jedna trećina ugljičnog čelika.
Talište:približno 660 stupnjeva C za čisti aluminij, znatno ispod otprilike 1450 stupnjeva C ugljičnog čelika, tako da rad na visokim temperaturama nije prikladan.
Toplinska vodljivost:oko 200 do 235 W/(mK) za kovane legure, naspram otprilike 50 W/(mK) za ugljični čelik; toplina brzo napušta zonu rezanja, ali također teče u učvršćenje i okvir stroja.
Modul elastičnosti:oko 69 GPa, tako da se tanke stijenke i vitki alati lako otklanjaju i imaju koristi od rebra ili smanjenog radijalnog zahvata.
Toplinska ekspanzija:oko 23 x 10-6 po K, otprilike dvostruko više od čelika, što kontrolu temperature čini bitnom kad god su tolerancije niske.
Mogućnost recikliranja:pretaljivanjem recikliranog aluminija štedi se do 95 posto energije potrebne za proizvodnju primarnog metala.
Iste karakteristike definiraju granice materijala. Aluminij je mekši od čelika i nije prvi izbor za dijelove koji moraju izdržati teške udarce ili ekstremna opterećenja. Njegovo veliko toplinsko širenje i niska točka taljenja znače da prekomjerna toplina rezanja uzrokuje izobličenje i otežava držanje malih tolerancija, dok njegova niska krutost potiče klepetanje kada se nepodržani dijelovi agresivno obrađuju.
Serija osam kovanih legura
Kovani aluminij podijeljen je u osam serija prema glavnom legirajućem elementu. Svaka serija nosi karakterističan skup svojstava, a izbor serije obično više odlučuje o strojnom dijelu nego bilo koja druga pojedinačna odluka.
| Niz | Glavni legirajući element | Tipične ocjene | Ponašanje u strojnoj obradi |
|---|---|---|---|
| 1000 | Ništa, čistoća 99,00 posto ili više | 1050, 1060, 1100 | Najmekši i najduktilniji; najbolja vodljivost; gumeni čips i loše lomljenje čipsa |
| 2000 | Bakar, oko 3 do 5 posto | 2024, 2A16 | Visoka čvrstoća i tvrdoća; varijante slobodnog rezanja sadrže olovo i bizmut; ograničena otpornost na koroziju |
| 3000 | Mangan, oko 1,0 do 1,5 posto | 3003, 3004, 3A21 | Dobra obradivost i otpornost na hrđu; nije podložan toplinskoj obradi |
| 4000 | Silicij, obično 4,5 do 6,0 posto | 4A01, 4043, 4047 | Nisko talište; koristi se za žicu za punjenje, obloge i dijelove otporne na habanje |
| 5000 | Magnezij | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Samo otvrdnjavanje radom; 5052 sadrži oko 2,2 do 2,8 posto Mg, a 5083 oko 4,0 do 4,9 posto Mg; jak, čvrst i lako se oblikuje |
| 6000 | Magnezij i silicij | 6061, 6063, 6082 | Zadani izbor za strojno obrađene komponente; otvrdnjavanje taloženjem s dobrom završnom obradom površine |
| 7000 | Cink, s bakrom i magnezijem | 7075, 7050 | Najveća čvrstoća nakon taložnog otvrdnjavanja; uporaba u zrakoplovstvu; manja otpornost na koroziju |
| 8000 | Ostali elementi kao što su željezo i litij | 8011, 8176 | Hvatajte sve serije; 8176 sadrži oko 0,6 posto Fe i 0,1 posto Si i koristi se za žicu vodiča |
Legure serija 3000, 4000 i 5000 ne mogu se ojačati toplinskom obradom: one dobivaju čvrstoću samo hladnom redukcijom, odnosno otvrdnjavanjem. Serija 1000 je najjeftinija i najvodljivija, serije 2000 i 7000 daju najveću čvrstoću, a serija 6000 nudi najbolji kompromis između čvrstoće, otpornosti na koroziju, zavarljivosti i ponašanja pri obradi.
Oznake kaljenja i toplinska obrada
Oznaka temperamenta slijedi broj legure i opisuje metalurško stanje materijala. Za strojno obrađene dijelove navedena stanja su najčešće O za žareni materijal, H za stanje otvrdnuto kao što su H14, H22 i H24 i T za toplinski tretirano stanje. T grupa je dalje podijeljena: T4 pokriva toplinsku obradu u otopini nakon koje slijedi prirodno starenje, T5 pokriva hlađenje iz procesa oblikovanja na povišenoj temperaturi nakon čega slijedi umjetno starenje, a T6 pokriva toplinsku obradu u otopini nakon koje slijedi umjetno starenje. 6061-T6 i 7075-T6 dvije su temperature koje se najčešće navode za precizne komponente.
Toplinska obrada nije parametar strojne obrade, ali mijenja gotovo svaki parametar obrade. Obrada otopinom nakon koje slijedi umjetno starenje povećava granicu tečenja i tvrdoću, mijenja formiranje strugotine i sile rezanja te povećava rizik od izobličenja. Kada se dio proizvodi od materijala T6, preporučuju se lagani završni prolazi i šipka za smanjenje naprezanja, tako da zaostala naprezanja koja se oslobađaju uklanjanjem materijala ne izvuku dio iz tolerancije nakon otvaranja učvršćenja.
Odabir legure za određeni strojno obrađeni dio
Konstrukcijski dijelovi opće namjene:6061-T6 pruža dobru čvrstoću, izvrsnu otpornost na koroziju, zavarljivost i čisti anodizirani izgled.
Najveća čvrstoća u tankim dijelovima:7075-T6 nudi najveću čvrstoću od uobičajenih razreda, s 7050 preferiranim gdje se teški dijelovi moraju kaliti bez pretjeranog izobličenja.
Visoko obimna obrada vijaka:Klase slobodnog rezanja 2011. i 2024. čisto lome strugotine i toleriraju visoke brzine napredovanja, po cijenu otpornosti na koroziju.
Električni i toplinski hardver:1050, 1060 i 1100 iskorištavaju najveću vodljivost i najnižu cijenu sirovina.
Pomorstvo i primjene pod pritiskom:5052 i 5083 otporni su na napad slane vode i poželjni su gdje god otpornost na koroziju prevladava nad snagom.
Arhitektonske ekstruzije i kućišta:6063 daje glatku anodiziranu površinu umjerene čvrstoće.
Praksa strojne obrade i kontrola procesa
Aluminij se reže pri velikim površinskim brzinama, često 200 do 600 m/min s alatom od tvrdog metala u 6061-T6, uz upotrebu poliranih žljebova, izdašnih nagnutih kutova i ili rashladne tekućine ili visokotlačne zračne magle. Glavni rizici su nakupljanje oštrice na mekšim temperamentima, nakupljanje strugotine u dubokim džepovima i toplinska distorzija u tankim stijenkama. Oštar alat od tvrdog metala bez premaza ili poliranog dijamanta, usponsko glodanje s laganim radijalnim zahvatom i kratke duljine žljebova poboljšavaju stabilnost.
Opće tolerancije od plus ili minus 0,05 mm moguće su postići na dijelovima srednje veličine, a plus ili minus 0,01 mm je realno kada je geometrija kruta i toplinski stabilna. Završne obrade od Ra 3,2 mikrometra do Ra 0,8 mikrometara su rutinske, a eloksiranje, kromatizirani pretvorbeni premaz ili lasersko označavanje uobičajeni su naknadni zahvati. Tamo gdje se crtež poziva na opći sustav tolerancije, u pravilu se navodi ISO 2768 u klasi m ili f, a mehanička provjera gotovog dijela obično slijedi ASTM E8/E8M za ispitivanje napetosti ili ASTM E384 za tvrdoću mikroudubljenja.
Često postavljana pitanja
P: Koja je aluminijska legura najbolja za CNC strojno obrađene dijelove?
6061-T6 odgovara većini komponenti jer uravnotežuje čvrstoću, otpornost na koroziju, zavarljivost i cijenu. Navedite 7075-T6 samo tamo gdje veća čvrstoća opravdava višu cijenu i smanjenu otpornost na koroziju, a 5083 ili 5052 gdje izlaganje slanoj vodi dominira dizajnom.
P: Mogu li se aluminijske legure toplinski obraditi nakon strojne obrade?
Samo taložno otvrdnjavajuće legure u serijama 2000, 6000 i 7000 reagiraju na toplinsku obradu. Legure serije 1000, 3000, 4000 i 5000 ojačane su hladnim radom, pa će ih svaka toplinska obrada samo omekšati.
P: Zašto se aluminij deformira tijekom strojne obrade?
Kombiniraju se tri učinka: nisko talište ograničava toplinu koju materijal može apsorbirati, koeficijent toplinske ekspanzije je otprilike dvostruko veći od čelika, a zaostala naprezanja zaključana u valjanom ili ekstrudiranom materijalu oslobađaju se kako se materijal uklanja. Kundak bez naprezanja, simetrično uklanjanje materijala i izdašna rashladna tekućina smanjuju problem.
P: Kako temperament utječe na obradivost?
Mekše temperature kao što su O i H14 stvaraju dugačke gumaste strugotine koje se nakupljaju na oštrici, dok T6 i T651 proizvode kratke, dobro slomljene strugotine i omogućuju veće brzine rezanja s boljom završnom obradom površine na kruto držanim dijelovima.
P: Koje su tolerancije realne za strojno obrađene aluminijske dijelove?
Opća tolerancija od plus ili minus 0,05 mm je normalna, plus ili minus 0,02 mm moguće je postići kontrolom temperature, a plus ili minus 0,01 mm zahtijeva stabilno učvršćenje, odgovarajući alat i pregled u kontroliranom okruženju.
P: Kako treba zaštititi aluminijske dijelove nakon strojne obrade?
Anodizacija stvara tvrdi oksidni sloj za habanje i izgled, kromatni pretvorbeni premaz održava vodljivost dok dodaje zaštitu od korozije, a jednostavno zapečaćeno pakiranje sa zaštitom od parne faze dovoljno je za dijelove koji će se brzo obojiti ili sastaviti.
