Обработка алюминия на станках с ЧПУ: как предотвратить деформацию, заусенцы и дефекты поверхности до того, как они попадут на сборочную линию.

Алюминий — наиболее часто используемый материал для изготовления деталей на станках с ЧПУ, и это неспроста: он легкий, быстро обрабатывается и хорошо анодируется. Однако за этими же свойствами скрывается ряд проблем, которые проявляются позже, на этапе сборки или в процессе эксплуатации: деформация после обработки, заусенцы на тонких кромках, обрыв резьбы и дефекты поверхности, которые анодирование лишь делает более заметными. Всех этих проблем можно избежать, но только если процесс планирования учитывает особенности материала, а не только чертеж.

Почему алюминиевые детали выходят из строя на последующих этапах производства?

Большинство алюминиевых деталей изготавливаются из экструдированного прутка или прокатанной пластины, и в обоих случаях на них воздействуют внутренние напряжения, возникающие при прокатке. Когда для изготовления легкой конструкционной детали удаляется от 60 до 80 процентов заготовки, эти напряжения распределяются неравномерно. Деталь может идеально соответствовать размерам на станке, но при этом выходить за пределы допустимых отклонений, когда попадет на сборочную линию.

Вторая распространенная жалоба — появление заусенцев. Алюминий пластичен, поэтому на выходе из реза материал загибается, а не срезается чисто. На тонких кромках заусенцы трудно удалить, не повредив саму кромку.

Затем следует проблема нароста на режущей кромке. Более мягкие марки стали, такие как 6061, имеют тенденцию привариваться к режущей кромке при высоких температурах резания. Качество поверхности ухудшается, и инструмент перестает резать с заданной геометрией, и никто этого не замечает, пока состояние поверхности не даст о себе знать.

Наконец, резьба. Нарезание резьбы в глухих отверстиях из алюминия с плохим удалением стружки приводит к обрыву или уменьшению диаметра резьбы, что создает проблемы при сборке.

1. Выберите сплав и режим закалки в соответствии с требованиями задачи.

Каждый сорт алюминия представляет собой компромисс, и обычно марка указывается на чертеже. Если это не указано, выбор следует делать, исходя из функциональности, а не привычки.

• 6061-T6: универсальный сплав. Хорошо поддается механической обработке, сваривается, равномерно анодируется. Подходит для корпусов, кронштейнов и большинства конструкционных элементов.
• 7075-T651: примерно вдвое выше предел текучести, чем у 6061. Стандарт для роботизированных манипуляторов, высоконагруженных звеньев и аэрокосмических компонентов. Немного жестче для инструментов, но стабильность во время и после обработки того стоит.
• 5052: обладает лучшей формуемостью, широко используется при обработке листового металла и деталей, подверженных вибрации.

Один важный момент: экструдированный пруток против пластины, прошедшей термообработку для снятия напряжений. Для деталей с тонкими стенками или большой площадью поверхности сплав T651 или материал, прошедший термообработку для снятия напряжений, устраняет большую часть «смещений», проявляющихся после выхода детали из станка.

2. Контроль последовательности обработки.

При обработке алюминия последовательность так же важна, как и траектория движения инструмента. Стабильный порядок такой: черновая обработка, получистовая обработка, чистовая обработка, при этом при черновой обработке заготовки намеренно оставляют на тонких участках, чтобы конструкция сохраняла свою жесткость.

При обработке симметричных деталей обрабатывайте обе стороны попеременно, чтобы напряжение снималось равномерно, а не растягивало деталь в одну сторону. На больших пластинах держите деталь соединенной с заготовкой с помощью выступов или перемычек до тех пор, пока не будут вырезаны критически важные элементы; преждевременное удаление контура — надежный способ превратить плоскую пластину в пропеллер.

3. Используйте правильные инструменты и траектории обработки.

Геометрия инструмента во многом определяет качество алюминия.

• Фрезы с высокой спиральной головкой быстрее удаляют стружку и режут с меньшим усилием; они являются стандартными для обработки алюминия.
• Полированные канавки уменьшают образование наростов на кромке в мягких сплавах.
• Попутное фрезерование (фрезерование вниз) создает меньшую нагрузку на тонкие стенки и обеспечивает более качественную обработку поверхности, чем традиционное фрезерование.

Следите за радиальным зацеплением. Паз во всю ширину алюминия генерирует много тепла и может вибрировать на тонких стенках. Трохоидальное или шелушительное фрезерование обеспечивает стабильность нагрузки и охлаждение инструмента, а также обычно ускоряет обработку.

4. Конструкция для удаления заусенцев

Самый дешевый способ предотвращения образования заусенцев — это САПР-проектирование, еще до начала обработки первой стружки. Укажите скругления кромок на обрабатываемых участках, добавьте радиусы закругления углов, чтобы избежать острых внутренних углов, и выберите формы резьбы, обеспечивающие чистое нарезание.

Там, где тонкой стенки избежать невозможно, небольшое изменение конструкции, такое как углубление или другой угол подхода, позволяет инструменту чисто срезать кромку, а не сдвигать материал. Каждый заусенец, который был устранен в процессе проектирования, — это этап доработки, который никогда не будет выполнен.

5. Контроль охлаждающей жидкости и чип-тюнинга

Алюминиевая стружка липкая и легко приваривается при повторной резке. Глубокие полости и глухие отверстия следует обрабатывать охлаждающей жидкостью, подаваемой через инструмент, или направленным потоком, чтобы стружка удалялась из зоны резания. Для чистовой обработки часто достаточно чистого воздуха или тумана, чтобы предотвратить царапины на поверхности отслоившейся стружкой.

6. Учитывайте анодирование как часть бюджета размеров.

Анодирование — это не покраска, а врастание покрытия в поверхность. При анодировании типа II образуется слой толщиной примерно от 5 до 25 микрон, и изменение размеров на поверхности происходит примерно в том же порядке. Отверстия уменьшаются, внешние элементы увеличиваются. Если деталь обрабатывается до окончательного размера, а затем анодируется, посадка изменяется.

Качество обработки поверхности перед анодированием имеет такое же важное значение. Поверхность с шероховатостью 0,8 Ra после обработки приобретает равномерный матовый вид; на поверхности с шероховатостью 3,2 Ra видны все следы от инструмента, а царапины проявляются в виде темных линий. При выборе метода анодирования необходимо согласовать процесс обработки и спецификацию качества обработки.

Как компания KGL подходит к изготовлению деталей из алюминия на станках с ЧПУ

Алюминий — это материал, который мы обрабатываем чаще всего для клиентов из сферы автоматизации, робототехники, аэрокосмической отрасли, полупроводниковой промышленности и промышленного производства: сплавы 6061, 7075, 5052 и другие, на 3-, 4- и 5-осевых станках с точностью ±0,005–0,01 мм там, где это требуется по чертежу.

Значение проявляется еще до начала обработки. Наш инженерный анализ проверяет риск остаточных напряжений, тонкие стенки, разрастание анодированного покрытия и проблемы с резьбой, пока деталь еще находится на стадии обработки напильником. Детали, требующие анодирования, обрабатываются с учетом припуска на покрытие и повторно проверяются после завершения обработки.

Каждый этап обработки алюминия проходит один и тот же цикл: изготовление первого образца, промежуточные проверки, окончательная инспекция с проверкой критически важных элементов на координатно-измерительной машине (CMM). Изготовление единичных образцов и серийное производство осуществляются по одному и тому же замкнутому процессу.

Заключение

Алюминий, казалось бы, легко поддается механической обработке, но проблемы с качеством проявляются на более поздних этапах, где они обходятся дороже всего. Решение в основном сводится к планированию: правильный сплав, правильная последовательность операций, правильный инструмент, конструкция кромки и процесс финишной обработки, в котором анодирование учитывается как часть проектного бюджета.

Партнер по механической обработке, который проверит эти моменты перед составлением сметы, сэкономит вам больше, чем любая разница в почасовой ставке. Если вы закупаете алюминиевые детали для станков с ЧПУ, отправьте 3D-модель и 2D-чертеж на раннем этапе; именно там выявляются проблемы.

FAQ

Q: Для детали, которую я буду обрабатывать, следует указать сплав 6061 или 7075?

A: Это зависит от нагрузки. Сплав 7075-T651 — это выбор там, где важны прочность и стабильность, например, в роботизированных манипуляторах и высоконагруженных звеньях; 6061-T6 дешевле, легче поддается обработке и подходит для большинства корпусов и кронштейнов. Для тонкостенных деталей стабильность материала после обработки часто является решающим фактором.

Q: Почему мои алюминиевые детали деформируются после обработки, хотя в цехе их размеры были в норме?

A: Практически всегда это остаточные напряжения и сжатие. Деталь находилась в пределах допуска, пока удерживалась в зажиме; после освобождения внутреннее напряжение в материале деформировало её. Снятие внутренних напряжений в материале, контролируемая последовательность обработки и надежная фиксация заготовки предотвращают это.

Q: Насколько следует увеличивать диаметр отверстий при анодировании?

A: Это зависит от типа и толщины анодирования. Анодирование типа II обычно изменяет размеры примерно на 10–20 микрон на поверхности, поэтому диаметр отверстия следует обрабатывать соответственно больше. Ваш токарь должен подтвердить спецификацию покрытия с анодировщиком и скорректировать припуск на обработку.