Alumiinium on maakoores kõige levinum metalliline element ja tänapäevases tootmises kõige laialdasemalt kasutatav värviline metall. Seda leidub igapäevastes toodetes, nagu majapidamisfoolium ja joogipurgid, ning ka nõudlikes rakendustes, nagu kosmoselaevade konstruktsioonid ja allveelaevade komponendid. CNC-töötlemisel ei ole aga toorik peaaegu kunagi puhas alumiinium: peaaegu kõik töödeldud osad on valmistatud konkreetsest sepistatud sulamist ja karastusest, mis on valitud tugevuse, korrosioonikindluse, töödeldavuse, mõõtmete stabiilsuse ja maksumuse tasakaalu järgi.
Peamised omadused, mis mõjutavad töötlemist
Alumiinium ühendab endas kõrge elastsuse ja plastilisuse madala tiheduse, hea elektri- ja soojusjuhtivuse ning usaldusväärse korrosioonikindlusega. Kui värskelt lõigatud pind puutub kokku õhuga, tekib spontaanselt õhuke ja tihedalt kleepuv oksiidkile, mis kaitseb selle all olevat metalli; sama kilet saab tahtlikult anodeerimisega paksendada, kui on vaja kõvemat kulumiskindlamat pinda. Allpool toodud omadused määravad, kuidas materjal töötlemiskeskuses käitub.
Tihedus:umbes 2,70 g/cm3 tavaliste sulamite puhul (2,70 6061, 2,81 7075 puhul), ligikaudu kolmandik süsinikterasest.
Sulamistemperatuur:umbes 660 kraadi C puhta alumiiniumi puhul, tunduvalt alla umbes 1450 kraadi C süsinikterase puhul, seega ei ole kõrge temperatuuriga teenus asjakohane.
Soojusjuhtivus:umbes 200–235 W/(mK) sepistatud sulamite puhul, võrreldes ligikaudu 50 W/(mK) süsinikterase puhul; kuumus lahkub lõiketsoonist kiiresti, kuid voolab ka kinnitusse ja masina raami.
Elastsusmoodul:umbes 69 GPa, nii et õhukesed seinad ja õhukesed tööriistad painduvad kergesti ning saavad kasu ribidest või väiksemast radiaalsest haardumisest.
Soojuspaisumine:umbes 23 x 10-6 K kohta, ligikaudu kaks korda suurem kui terasest, mis muudab temperatuuri reguleerimise oluliseks alati, kui tolerantsid on väikesed.
Taaskasutatavus:ringlussevõetud alumiiniumi ümbersulatamine säästab kuni 95 protsenti primaarmetalli tootmiseks vajalikust energiast.
Samad omadused määravad materjali piirid. Alumiinium on pehmem kui teras ega ole esimene valik osade jaoks, mis peavad taluma tugevaid lööke või äärmuslikke koormusi. Selle kõrge soojuspaisumine ja madal sulamistemperatuur tähendavad, et liigne lõikamiskuumus põhjustab moonutusi ja raskendab tihedate tolerantside hoidmist, samas kui selle madal jäikus soodustab lõksumist, kui toestamata sektsioone töödeldakse agressiivselt.
Kaheksa sepistatud sulami seeria
Sepistatud alumiinium on jagatud kaheksaks seeriaks vastavalt peamisele legeerivale elemendile. Igal seerial on iseloomulikud omadused ja seeria valik määrab tavaliselt töödeldud detaili rohkem kui ükski teine otsus.
| seeria | Peamine legeerelement | Tüüpilised hinded | Käitumine mehaanilisel töötlemisel |
|---|---|---|---|
| 1000 | Puudub, puhtus 99,00 protsenti või kõrgem | 1050, 1060, 1100 | Kõige pehmem ja plastilisem; parim juhtivus; kummilised laastud ja halb laastu purunemine |
| 2000 | Vask, umbes 3 kuni 5 protsenti | 2024, 2A16 | Kõrge tugevus ja kõvadus; tasuta lõikamise variandid sisaldavad pliid ja vismutit; piiratud korrosioonikindlus |
| 3000 | Mangaan, umbes 1,0–1,5 protsenti | 3003, 3004, 3A21 | Hea töödeldavus ja roostekindlus; ei ole kuumtöödeldud |
| 4000 | Räni, tavaliselt 4,5–6,0 protsenti | 4A01, 4043, 4047 | Madal sulamistemperatuur; kasutatakse täitetraadi, katte ja kulumiskindlate osade jaoks |
| 5000 | Magneesium | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Ainult töö karastamine; 5052 sisaldab umbes 2,2 kuni 2,8 protsenti Mg ja 5083 umbes 4,0 kuni 4,9 protsenti Mg; tugev, sitke ja kergesti vormitav |
| 6000 | Magneesium ja räni | 6061, 6063, 6082 | Töödeldud komponentide vaikevalik; hea pinnaviimistlusega sademetega karastatud |
| 7000 | Tsink, vase ja magneesiumiga | 7075, 7050 | Kõrgeim tugevus pärast sademetega kõvenemist; kosmosekasutus; madalam korrosioonikindlus |
| 8000 | Muud elemendid nagu raud ja liitium | 8011, 8176 | Püüdke kõik seeriad; 8176 sisaldab umbes 0,6 protsenti Fe ja 0,1 protsenti Si ning seda kasutatakse juhttraadi jaoks |
Seeria 3000, 4000 ja 5000 sulameid ei saa kuumtöötlemisega tugevdada: need omandavad tugevuse ainult külmredutseerimisel, st töökarastamisel. 1000. seeria on odavaim ja juhtivaim, seeriad 2000 ja 7000 pakuvad suurimat tugevust ning seeria 6000 pakub parimat kompromissi tugevuse, korrosioonikindluse, keevitatavuse ja töötlemiskäitumise vahel.
Temperatuuri tähistused ja kuumtöötlus
Temperatuuri tähis järgib sulami numbrit ja kirjeldab varude metallurgilist seisukorda. Töödeldud osade puhul on kõige sagedamini määratud temperatuurid O lõõmutatud materjali jaoks, H deformatsiooniga karastatud temperamentide jaoks, nagu H14, H22 ja H24, ja T termiliselt töödeldud temperamentide jaoks. T-rühm jaguneb veelgi: T4 hõlmab lahusega kuumtöötlemist, millele järgneb loomulik vanandamine, T5 hõlmab jahutamist kõrgel temperatuuril vormimisprotsessist, millele järgneb kunstlik vanandamine, ja T6 hõlmab lahusega kuumtöötlust, millele järgneb kunstlik vanandamine. 6061-T6 ja 7075-T6 on kaks täppiskomponentide puhul kõige sagedamini esitatud temperatuuri.
Kuumtöötlus ei ole töötlemise parameeter, kuid see muudab peaaegu kõiki töötlemisparameetreid. Lahuse töötlemine, millele järgneb kunstlik vanandamine, suurendab voolavustugevust ja kõvadust, muudab laastude moodustumist ja lõikejõude ning suurendab moonutuste ohtu. Kui detail on valmistatud T6 laost, soovitatakse kergeid viimistluskäike ja pingevaba latti, et materjali eemaldamisel vabanevad jääkpinged ei viiks detaili pärast kinnituse avamist tolerantsist välja.
Konkreetse mehaaniliselt töödeldud detaili sulami valimine
Üldotstarbelised konstruktsiooniosad:6061-T6 tagab hea tugevuse, suurepärase korrosioonikindluse, keevitatavuse ja puhta anodeeritud välimuse.
Suurim tugevus õhukestes osades:7075-T6 pakub tavaliste klasside kõrgeimat tugevust, eelistatud on 7050, kus rasked sektsioonid tuleb kustutada ilma liigsete moonutusteta.
Suuremahuline kruvide töötlemine:2011. ja 2024. aasta tasuta lõikeklassid purustavad laastud puhtalt ja taluvad suuri ettenihkeid korrosioonikindluse hinnaga.
Elektri- ja termiline riistvara:1050, 1060 ja 1100 kasutavad kõrgeimat juhtivust ja madalaimat toorainekulu.
Mere- ja surverakendused:5052 ja 5083 peavad vastu soolase vee rünnakule ja neid eelistatakse kõikjal, kus korrosioonikindlus kaalub üles tugevuse.
Arhitektuursed ekstrusioonid ja korpused:6063 annab sileda anodeeriva pinna ja mõõduka tugevusega.
Töötlemispraktika ja protsesside juhtimine
Alumiiniumi lõigatakse suurel pinnakiirusel, sageli 200–600 m/min karbiiditööriistadega 6061-T6, kasutades poleeritud sooni, suuri kaldenurki ja kas üleujutusvedelikku või kõrgsurveõhuudu. Peamised riskid on pehmema iseloomuga serv, laastude pakkimine sügavatesse taskutesse ja õhukeste seinte termilised moonutused. Teravad, katmata karbiidist või poleeritud teemantkattega tööriistad, kerge radiaalse haardumisega ronimisfreesimine ja lühikesed flöödipikkused parandavad stabiilsust.
Üldised tolerantsid pluss-miinus 0,05 mm on saavutatavad keskmise suurusega osadel ja pluss-miinus 0,01 mm on realistlik, kui geomeetria on jäik ja termiliselt stabiilne. Pinnaviimistlus alates Ra 3,2 mikromeetrist kuni Ra 0,8 mikromeetrini on rutiinne ning anodeerimine, kromaadi muundamine või lasermärgistamine on tavalised järgnevad toimingud. Kui joonisel kasutatakse üldist tolerantsisüsteemi, viidatakse reeglina standardile ISO 2768 klassis m või f ning valmisosa mehaaniline kontrollimine järgib tavaliselt tõmbekatsete puhul standardit ASTM E8/E8M või mikrotõlgenduse kõvaduse puhul ASTM E384.
Korduma kippuvad küsimused
K: Milline alumiiniumisulam on CNC-töödeldud osade jaoks parim?
6061-T6 sobib enamikule komponentidele, kuna see tasakaalustab tugevust, korrosioonikindlust, keevitatavust ja kulusid. Määrake 7075-T6 ainult siis, kui kõrgem tugevus õigustab kõrgemat hinda ja väiksemat korrosioonikindlust, ning 5083 või 5052, kui kujunduses domineerib kokkupuude soolase veega.
K: Kas alumiiniumisulameid saab pärast töötlemist kuumtöödelda?
Kuumtöötlemisele reageerivad ainult 2000., 6000. ja 7000. seeria sademekindlad sulamid. 1000., 3000., 4000. ja 5000. seeria sulamid on tugevdatud külmtöötlemisega, nii et igasugune termiline töötlemine muudab need ainult pehmemaks.
K: Miks alumiinium moonutab töötlemise ajal?
Kombineerivad kolm efekti: madal sulamistemperatuur piirab soojust, mida materjal võib neelata, soojuspaisumise koefitsient on umbes kaks korda suurem kui terasel ja materjali eemaldamisel vabanevad valtsitud või ekstrudeeritud materjaliga seotud jääkpinged. Pingevaba varu, sümmeetriline materjali eemaldamine ja rikkalik jahutusvedelik vähendavad probleemi.
K: Kuidas karastus mõjutab töödeldavust?
Pehmemad laastud, nagu O ja H14, moodustavad pikad kummikujulised laastud, mis kogunevad lõikeservale, samas kui T6 ja T651 temperid toodavad lühikesi, hästi purunenud laaste ning võimaldavad suuremat lõikekiirust ja paremat pinnaviimistlust jäigalt hoitud osadel.
K: Millised tolerantsid on alumiiniumist töödeldud osade puhul realistlikud?
Üldine tolerants pluss-miinus 0,05 mm on normaalne, pluss-miinus 0,02 mm on saavutatav temperatuuri reguleerimisega ning pluss-miinus 0,01 mm nõuab stabiilset kinnitust, sobivaid tööriistu ja kontrolli kontrollitud keskkonnas.
K: Kuidas tuleks alumiiniumosi pärast töötlemist kaitsta?
Anodeerimine loob kulumise ja välimuse parandamiseks kõva oksiidikihi, kromaadi konversioonikate säilitab juhtivuse, lisades samal ajal korrosioonikaitset ning kiiresti värvitavate või kokkupandavate osade jaoks piisab lihtsast suletud pakendist koos aurufaasikaitsega.
