Lavorazione CNC dell'alluminio: come prevenire deformazioni, bave e difetti superficiali prima che raggiungano la linea di assemblaggio.

L'alluminio è il materiale più spesso specificato per i componenti lavorati a CNC su misura, e per ottime ragioni: è leggero, si lavora velocemente e si presta bene all'anodizzazione. Queste stesse proprietà, tuttavia, nascondono una serie di problemi che si manifestano in officina, in fase di assemblaggio o in cantiere: deformazioni dopo la lavorazione, bave sui bordi sottili, filettature danneggiate e difetti superficiali che l'anodizzazione non fa altro che accentuare. Tutti questi problemi sono prevenibili, ma solo se il processo viene pianificato tenendo conto del materiale, e non solo del disegno.

Perché i componenti in alluminio si guastano a valle

La maggior parte dei componenti in alluminio viene ricavata da barre estruse o lamiere laminate, ed entrambi i materiali presentano tensioni interne derivanti dal processo di lavorazione. Quando si rimuove dal 60 all'80% di un blocco di alluminio per realizzare un componente strutturale leggero, queste tensioni si distribuiscono in modo non uniforme. Il componente può quindi risultare perfettamente dimensionato sulla macchina utensile, ma non rientrare nelle tolleranze una volta giunto alla linea di assemblaggio.

La seconda lamentela che riceviamo riguarda le bave. L'alluminio è duttile, quindi sul lato di uscita del taglio il materiale si piega invece di tranciarsi nettamente. Sui bordi sottili, la bava è difficile da rimuovere senza danneggiare il bordo stesso.

Poi c'è il problema del tagliente accumulato. Le leghe più morbide come la 6061 tendono a saldarsi al tagliente a temperature di taglio più elevate. La finitura superficiale si degrada e l'utensile smette di tagliare secondo la geometria prevista, senza che nessuno se ne accorga finché la finitura non rivela il problema.

Infine, le filettature. La filettatura di fori ciechi nell'alluminio con una scarsa evacuazione dei trucioli produce filettature lacerate o sottodimensionate che cedono durante l'assemblaggio.

1. Scegliere la lega e la tempra adatte al lavoro

Ogni tipo di alluminio rappresenta un compromesso e il disegno tecnico ne specifica solitamente il tipo. In caso contrario, la scelta dovrebbe basarsi sulla funzionalità, non sull'abitudine.

• 6061-T6: la lega per uso generale. Buona lavorabilità, saldabile, si anodizza in modo uniforme. Adatta per alloggiamenti, staffe e la maggior parte dei componenti strutturali.
• 7075-T651: circa il doppio del carico di snervamento del 6061. Lo standard per bracci robotici, componenti per carichi elevati e componenti aerospaziali. Leggermente più aggressivo per gli utensili, ma la stabilità durante e dopo la lavorazione compensa ampiamente questo svantaggio.
• 5052: migliore formabilità, comune nella lavorazione della lamiera e nei componenti soggetti a vibrazioni.

Un dettaglio su cui vale la pena chiedere chiarimenti: barra estrusa o lamiera distesa. Per i pezzi con pareti sottili o ampie superfici, il materiale T651 o disteso elimina la maggior parte delle "deformazioni" che si manifestano dopo che il pezzo esce dalla macchina.

2. Controllare la sequenza di lavorazione

Sull'alluminio, la sequenza è importante quanto il percorso utensile. Un ordine stabile è: sgrossatura, semifinitura, finitura, lasciando deliberatamente del materiale sui tratti sottili durante la sgrossatura in modo che la struttura mantenga la sua rigidità.

Sui pezzi simmetrici, lavorate entrambi i lati alternativamente in modo che le tensioni si distribuiscano uniformemente anziché tirare il pezzo in una direzione. Su piastre di grandi dimensioni, mantenete il pezzo collegato al blocco con linguette o ponticelli fino a quando non vengono tagliate le caratteristiche critiche; tagliare il contorno in anticipo è un metodo affidabile per trasformare una piastra piana in un'elica.

3. Utilizzare gli strumenti e i percorsi utensile corretti

La geometria dell'utensile determina in larga misura la qualità dell'alluminio.

• Le frese a elica alta evacuano i trucioli più velocemente e tagliano con forze inferiori; sono la scelta predefinita per la lavorazione dell'alluminio.
• Le scanalature lucidate riducono l'accumulo di materiale sui bordi nelle leghe morbide.
• La fresatura in concordanza (o fresatura discendente) esercita una minore pressione sulle pareti sottili e lascia una finitura migliore rispetto alla fresatura convenzionale.

Osservate l'impegno radiale. Una scanalatura a tutta larghezza nell'alluminio genera molto calore e può causare vibrazioni su pareti sottili. La fresatura trocoidale o a pelatura mantiene il carico stabile e l'utensile fresco, e di solito consente anche di terminare la lavorazione più velocemente.

4. Progettazione per la sbavatura

Il controllo delle bave più economico si effettua in CAD, prima ancora di tagliare il primo truciolo. Specificare gli smussi sui bordi lavorati, aggiungere raggi di curvatura agli angoli per evitare spigoli interni vivi e scegliere filettature che consentano una filettatura pulita.

Laddove non è possibile evitare una parete sottile, una piccola modifica progettuale, come uno scarico o un diverso angolo di approccio, consente all'utensile di tranciare il bordo in modo netto anziché spingere il materiale. Ogni bava eliminata in fase di progettazione rappresenta una rilavorazione che non si rende mai necessaria.

5. Controllo del liquido di raffreddamento e del chip

I trucioli di alluminio sono appiccicosi e si saldano facilmente quando vengono rifilati. Le cavità profonde e i fori ciechi devono essere tagliati con un refrigerante che penetri attraverso l'utensile o con un flusso ben direzionato, in modo che i trucioli vengano trasportati fuori dalla zona di taglio. Per le passate di finitura, l'aria pulita o la nebulizzazione sono spesso sufficienti per evitare che la superficie venga graffiata dai trucioli.

6. Considerare l'anodizzazione come parte del budget dimensionale

L'anodizzazione non è uno strato di vernice; penetra nella superficie. L'anodizzazione di tipo II crea uno strato di spessore compreso tra circa 5 e 25 micron e la variazione dimensionale per superficie segue lo stesso ordine di grandezza. I fori si restringono, le caratteristiche esterne si ingrandiscono. Se un pezzo viene lavorato meccanicamente fino alle dimensioni finali e poi anodizzato, le tolleranze si modificano.

Anche la finitura superficiale prima dell'anodizzazione è di fondamentale importanza. Una superficie lavorata con una rugosità Ra di 0,8 si anodizza ottenendo un aspetto satinato uniforme; una superficie con una rugosità Ra di 3,2 mostra ogni segno dell'utensile e i graffi appaiono come linee scure. Quando si specifica l'anodizzazione, è necessario concordare congiuntamente il processo di lavorazione e le specifiche di finitura.

Come KGL affronta la lavorazione CNC dei componenti in alluminio

L'alluminio è il materiale che lavoriamo più frequentemente per clienti nei settori dell'automazione, della robotica, dell'aerospaziale, dei semiconduttori e dell'industria: leghe 6061, 7075, 5052 e altre, su macchine a 3, 4 e 5 assi, mantenendo tolleranze da ±0,005 a 0,01 mm laddove richiesto dal disegno.

Il valore viene determinato prima dell'inizio della lavorazione. La nostra revisione ingegneristica verifica il rischio di tensioni residue, lo spessore ridotto delle pareti, la crescita dell'anodizzazione e i problemi di filettatura mentre il pezzo è ancora una lima. I pezzi che necessitano di anodizzazione vengono lavorati tenendo conto del sovrametallo di rivestimento e riverificati dopo la finitura.

Ogni lavorazione dell'alluminio segue lo stesso ciclo: primo campione, controlli in corso di produzione, ispezione finale, con verifica tramite CMM delle caratteristiche critiche. Sia i campioni monoblocco che la produzione in serie vengono eseguiti con lo stesso processo standardizzato.

Conclusione

L'alluminio sembra facile da lavorare, ma i problemi di qualità si manifestano nelle fasi successive, dove i costi sono maggiori. La soluzione risiede principalmente nella pianificazione: la lega giusta, la sequenza corretta, l'utensile giusto, la progettazione dei bordi e un processo di finitura che consideri l'anodizzazione come parte integrante del budget dimensionale.

Un partner per la lavorazione meccanica che esamina questi punti prima di fornire un preventivo vi farà risparmiare più di qualsiasi differenza di tariffa oraria. Se state acquistando componenti in alluminio da lavorare a CNC, inviate il modello 3D e il disegno 2D con largo anticipo; è in questa fase che si individuano i problemi.

FAQ

Q: Devo specificare l'acciaio 6061 o il 7075 per il mio pezzo lavorato?

A: Dipende dal carico. La lega 7075-T651 è la scelta ideale quando resistenza e stabilità sono fondamentali, come nei bracci robotici e nei collegamenti ad alto carico; la 6061-T6 è più economica e più facile da lavorare, ed è adatta alla maggior parte degli alloggiamenti e delle staffe. Per i componenti a parete sottile, la stabilità del materiale dopo la lavorazione è spesso il fattore determinante.

Q: Perché i miei pezzi in alluminio si deformano dopo la lavorazione, nonostante le misurazioni effettuate in officina fossero corrette?

A: Quasi sempre si tratta di tensioni residue e di serraggio. Il pezzo rientrava nelle tolleranze mentre era fissato al dispositivo di bloccaggio; una volta rilasciato, le tensioni interne ancora presenti nel materiale lo hanno deformato. Un materiale disteso, una sequenza di lavorazione controllata e un bloccaggio stabile del pezzo prevengono questo problema.

Q: Di quanto devo allargare i fori per l'anodizzazione?

A: Dipende dal tipo e dallo spessore dell'anodizzazione. L'anodizzazione di tipo II in genere modifica le dimensioni di circa 10-20 micron per superficie, quindi il diametro del foro dovrebbe essere lavorato di conseguenza più grande. Il vostro operatore di macchine utensili dovrebbe confermare le specifiche del rivestimento con l'anodizzatore e regolare il sovrametallo di lavorazione.