Обработка алюминиевых сплавов: как правильно выбрать станок с ЧПУ

Алюминий выглядит как самый простой в обработке материал. По моему опыту, именно этот материал выявляет большинство недостатков машины — потому что вы работаете с ним быстро, а скорость усиливает все недостатки в установке. Если вы неправильно выберете станок, алюминий накажет вас наростами на кромке фрезы, длинной волокнистой стружкой, забивающей рабочую зону, и качеством поверхности, которое не проходит проверку в каждом отдельном цикле.

Почему обработка алюминия предъявляет уникальные требования к оборудованию

Алюминиевые сплавы быстро удаляют материал, но только если ваша машина справляется с этой задачей. В отличие от стали, алюминий требует высоких скоростей шпинделя для достижения скоростей резания, которые предотвращают налипание кромки (BUE) на инструменте. Его длинная, сплошная морфология стружки создает проблемы с эвакуацией, с которыми не могут справиться машины общего назначения. Алюминий хорошо проводит тепло, что звучит как преимущество, но его высокий коэффициент теплового расширения означает, что точность размеров страдает, если стратегия подачи охлаждающей жидкости и время цикла не контролируются тщательно. Требования к чистоте поверхности алюминиевых деталей — часто Ra 0,8 мкм или выше для косметической и аэрокосмической промышленности — требуют как жесткости, так и скорости вращения, которую многие машины среднего класса не могут обеспечить одновременно.

Для нас в SZGHTECH обработка алюминия была одной из основных движущих сил нашей линейки высокоскоростных шпинделей. Когда клиенты начали настаивать на сокращении времени цикла изготовления алюминиевых корпусов, кронштейнов и структурных рам, потребность в электрическом шпинделе со скоростью 24 000 об/мин стало невозможно игнорировать.

Три семейства алюминиевых сплавов и различия в их обработке

Не весь алюминий одинаков на переднем крае. Покупатели часто указывают машину на основе «алюминия» как одну категорию, а затем сталкиваются с проблемами, когда реальный сплав ведет себя не так, как они ожидали.

7075 значительно тверже 6061, и многие покупатели недооценивают эту разницу. Я видел, как магазины используют 7075-T651 с теми же параметрами, что и 6061, и задавался вопросом, почему срок службы их инструмента вдвое меньше, чем они ожидали. Содержание цинка в стали 7075 увеличивает силу резания и выделяет больше тепла на кромке. Вам нужен более жесткий шпиндель, лучшее демпфирование и во многих случаях уменьшение подачи на зуб, чтобы защитить фрезу.

С литым алюминием (А380) дело обстоит иначе: он мягче, но содержание кремния делает его абразивным. Твердый сплав без покрытия быстро изнашивается. Вам нужен инструмент с покрытием и СОЖ, направленная точно в зону резания.

Скорость шпинделя: почему алюминию требуется больше оборотов в минуту, чем стали

Фрезерование стали обычно осуществляется со скоростью резания 80–200 м/мин. Алюминий требует скорости 400–800 м/мин или выше. Для данного диаметра инструмента это требует значительно более высоких скоростей шпинделя. Физика проста:

Vc (м/мин) = (π × D × n) / 1000

Где D = диаметр инструмента в мм, n = скорость шпинделя в об/мин.

Аргументы в пользу скорости 8000 об/мин: общее фрезерование алюминия

Шпиндель со скоростью 8000 об/мин эффективно справляется с большинством работ по производству алюминия. При 8000 об/мин с концевой фрезой Ø12 мм:

Vc = (π × 12 × 8000) / 1000 = ~301 м/мин

Это находится в нижнем диапазоне для 6061-T6 и подходит для черновой обработки на 7075. Для среднесерийного производства цельных алюминиевых компонентов — конструкционных кронштейнов, оснований радиаторов, корпусов с толщиной стенок более 3 мм — шпиндель со скоростью 8000 об/мин обеспечивает сочетание крутящего момента и скорости, позволяющее выполнять черновую и получистовую обработку без ущерба для срока службы инструмента.

Наш VMC850 работает со скоростью 8000 об/мин с роликовыми направляющими HIWIN диаметром 35 мм, точностью позиционирования ± 0,003 мм и системой автоматического регулирования скорости на 24 инструмента. Он хорошо обрабатывает алюминиевые детали среднего размера в различных отраслях промышленности: пресс-формы, конструктивные элементы автомобилей и корпуса для электроники размером 300–700 мм. При мощности шпинделя 11/15 кВт он не «голодает» при агрессивной черновой обработке в станке 7075.

Аргументы в пользу 24 000 об/мин: высокоскоростная чистовая обработка и тонкостенные детали

Если ваша деталь имеет тонкие стенки, глубокие карманы или требования к чистоте поверхности Ra 0,8 мкм или выше, скорости 8000 об/мин недостаточно. Вам необходимо уменьшить силы резания (что означает меньшую нагрузку стружки на зуб) и компенсировать это значительно более высокой скоростью резания, чтобы сохранить скорость съема материала.

При 24 000 об/мин с концевой фрезой Ø10 мм:

Vc = (π × 10 × 24 000) / 1 000 = ~754 м/мин

Это ставит вас прямо в зону высокой эффективности для 6061-T6 и в верхний диапазон чистовых проходов для 7075. Силы резания существенно снижаются. Тонкие стены не прогибаются и не дребезжат. Чистота поверхности значительно улучшается, поскольку каждый зуб делает меньший и более чистый прикус с более высокой скоростью.

Электрический шпиндель на 24 000 об/мин на нашем SZGH-1090D взят не из технических характеристик. Он поступил от клиента из Индии, который занимался обработкой пластин рамы дронов — 7075-T651, толщиной 8 мм, со сложными карманами. На шпинделе со скоростью 8000 об/мин инструмент изнашивался каждые 40 минут. При 24 000 об/мин и правильной траектории обработки одна и та же фреза проработала полную смену. Время цикла изготовления каждой детали сократилось с 45 минут до 18 минут. Именно такие результаты определяют решения по проектированию шпинделей на нашем уровне.

В SZGH-1090D используется электрический шпиндель Jiangsu Ronghua, конус BT30, мощность 11 кВт и фиксированный рабочий стол размером 900×1000 мм. Конструкция с фиксированным столом имеет решающее значение: при обработке больших алюминиевых пластин вес заготовки не перемещает оси стола, что обеспечивает стабильную динамическую точность при высоких скоростях подачи.

Эвакуация чипов: проблема, которую игнорируют большинство покупателей

Из алюминия образуется длинная, волокнистая стружка, особенно из алюминия 6061-T6. Когда стружка накапливается в кармане или вокруг фрезы, ее разрезают повторно. Повторная резка алюминиевой стружки приводит к двум вещам: ухудшает качество поверхности и выделяет тепло на кромке инструмента, что ускоряет образование BUE.

Я вижу, что эвакуацию стружки постоянно недооценивают. Клиент, работающий с алюминием на универсальном станке VMC, позвонил мне, потому что качество его поверхности ухудшилось после 20 минут непрерывной резки. Алюминиевая стружка была длинной, жилистой и скапливалась в кармане, и резак перерезал ее. Это была не проблема с инструментом. Это была проблема с компоновкой станка: у VMC был конвейер для стружки с плоским столом, который не мог достаточно быстро удалять стружку при обработке глубокой полости.

Решения многоуровневые:

• Геометрия станка : на VMC ищите станки с конвейерами для боковой разгрузки стружки, расположенными непосредственно под рабочей зоной. Щепочные шнеки, расположенные по периметру основания, эффективно перемещают алюминиевую стружку. На токарных станках наклон станины под углом 45° создает естественную траекторию падения под действием силы тяжести — стружка выпадает из рабочей зоны без вмешательства оператора.

• Инструмент для стружколома : Для токарных операций используйте пластины с положительной геометрией переднего угла и встроенными стружколомными канавками, разработанными специально для алюминия. Не используйте вставки со стальной геометрией для алюминия; они будут производить чипы, которые будут слишком длинными, чтобы ими можно было управлять.

• СОЖ под высоким давлением : Направленная СОЖ под давлением 40–70 бар механически разбивает стружку и вымывает ее из зоны резания. Это особенно важно при фрезеровании карманов и глубоком сверлении алюминия.

• Стратегия траектории инструмента : в программировании CAM включите проходы для очистки стружки и избегайте длинных непрерывных трохоидальных траекторий без движений стружколома при резке глубоких карманов в 6061.

Токарные станки с ЧПУ по алюминию: наклонная станина почти всегда лучше

При токарной обработке алюминия конфигурация станка имеет такое же значение, как и скорость шпинделя. Плоские токарные станки с ЧПУ накапливают стружку на крышках направляющих, требуют более частой ручной очистки и с трудом поддерживают качество поверхности во время длительных непрерывных операций.

Наклон станины под углом 45° на наших токарно-фрезерных станках не является случайностью. Он был специально выбран для токарной обработки алюминия: стружка падает прямо вниз, не скапливается на крышках направляющих, и вы можете уверенно работать со скоростью 4000 об/мин. Когда вы объединяете эту геометрию с осью C и приводным инструментом, вы можете выполнить сложную алюминиевую деталь — токарную наружную обработку, фрезерованные элементы, просверленные поперечные отверстия — за одну установку. Вот где действительно важно сокращение времени цикла.

Наш Токарно-фрезерный состав SZGH-46Z обрабатывает детали класса Ø460 мм с полной осью C, приводным инструментом и геометрией наклонной станины под углом 45°. Для алюминиевых валов, корпусов и корпусов соединителей это исключает вторую операцию, которая в противном случае потребовала бы цикла крепления VMC.

Для более простых работ по токарной обработке алюминия ось Y SZGH-46 добавляет ось Y к конфигурации токарных центров, что позволяет выполнять фрезерование со смещением от центра без полной сложности токарно-фрезерной обработки. SZGH-TK50 обрабатывает алюминиевые детали большего диаметра, диаметр отверстия или вес детали превышают диапазон 46Z.

Все наши токарные станки с наклонной станиной рассчитаны на скорость вращения 3500 об/мин и выше — этого достаточно для токарной обработки алюминия на рекомендуемых скоростях резания с диаметром прутка до Ø50 мм.

VMC для алюминия: подбор машины по размеру детали

Выбор VMC для алюминия зависит не только от скорости шпинделя. Размер стола, перемещение по оси Z, емкость магазина инструментов и управление стружкой — все это определяет, подходит ли станок для данной задачи. Вот как мы сегментируем выбор алюминиевых VMC в SZGHTECH.

Компактные детали (до 300 мм): SZGH-540/SZGH-650

SZGH -540 — это наш VMC небольшого формата, предназначенный для крупносерийных компактных алюминиевых деталей, которые доминируют в производстве бытовой электроники, телекоммуникационного оборудования и прецизионных разъемов. Небольшая занимаемая площадь, быстрая смена инструмента и характеристики шпинделя, подходящие для обработки алюминия малым диаметром.

SZGH -650 расширяет возможности благодаря коническому шпинделю BT40, который лучше подходит для обработки алюминиевых деталей, для которых требуются торцевые фрезы большего размера или фрезы со сменными уступами. Если размер ваших деталей меньше 300 мм, а размеры ваших партий исчисляются сотнями в неделю, модель 650 обеспечит вам производительность без перепроизводства.

Детали среднего класса (300–700 мм): VMC650 / VMC850

VMC650 . ориентирован на средний диапазон: заготовки электродов для форм, конструкционные кронштейны, опорные пластины радиатора и автомобильные алюминиевые компоненты Роликовые направляющие HIWIN, АТС на 16 инструментов, позиционирование ±0,005 мм — это рабочая лошадка для цехов, выполняющих смешанные работы с алюминием и легкой сталью.

VMC850 . расширяет рабочую зону и модернизируется до роликовых направляющих HIWIN диаметром 35 мм для повышения жесткости при агрессивной черновой обработке алюминия Точность позиционирования ±0,003 мм делает его пригодным для обработки алюминиевых деталей с жесткими допусками на отверстия — корпусов подшипников, гидравлических коллекторов и прецизионных корпусов, размеры которых необходимо сохранять на протяжении всего производственного цикла. При весе станка 4500 кг его массы достаточно, чтобы погасить вибрацию, возникающую при высокоскоростной резке алюминия.

Большие алюминиевые пластины и конструктивные детали: SZGH-1090D (портальный)

SZGH -1090D специально создан для крупноформатных работ по алюминию: рамы дронов, конструкционные панели для аэрокосмической отрасли, компоненты автомобильных аккумуляторных батарей и архитектурные экструзионные профили, требующие точного фрезерования карманов на рабочей площади 900×1000 мм.

Конструкция портала с фиксированным столом означает, что рабочий стол не перемещается — только мост шпинделя перемещается по осям X и Y. Когда вы держите на столе 40-килограммовую алюминиевую пластину, это имеет значение: динамическая точность резки не ухудшается по мере замедления стола под нагрузкой. В сочетании с электрическим шпинделем со скоростью 24 000 об/мин и повторным позиционированием 0,01 мм станок 1090D производит крупные алюминиевые детали с такой стабильностью, с которой не могут сравниться VMC с подвижным столом этого размерного класса.

Один из наших клиентов перешел с обычного VMC на 8000 об/мин на 1090D для производства каркасов дронов. Сочетание более высокой скорости шпинделя, лучшего удаления стружки за счет конструкции с фиксированным столом и большего рабочего диапазона сократило общее время обработки за кадр более чем на 40%.

Выбор инструмента и параметры резки алюминия

Выбор инструмента – это то, где обработка алюминия либо сходится, либо разваливается. Неправильное покрытие превращает алюминий в проблему для сварки — в буквальном смысле. Алюминий прилипает к твердосплавным инструментам без покрытия и инструментам с покрытием TiN при высоких скоростях резания, образуя BUE, который разрушает поверхность в течение нескольких минут.

Рекомендуемые параметры резки в зависимости от сплава

Я выбираю покрытия TiB₂ (диборид титана) и ZrN (нитрид циркония), поскольку оба имеют низкое сродство к алюминию. В отличие от TiAlN, который отлично подходит для стали, TiAlN вступает в реакцию с алюминием при повышенных температурах резки и способствует адгезии. TiB₂ специально разработан, чтобы противостоять этому. При высокоскоростных чистовых проходах со скоростью 24 000 об/мин разница в стойкости инструмента между концевыми фрезами с покрытием TiB₂ и твердосплавными фрезами без покрытия можно измерить за одну смену.

При черновой обработке 3-зубые концевые фрезы из алюминия дают больше места для стружки на каждую канавку, чем 4-зубые фрезы. Для чистовой обработки на высокой скорости двухзубые концевые фрезы с полированными канавками обеспечивают наилучшее качество поверхности на станке 6061 за один проход.

Распространенные ошибки при обработке алюминия на станке с ЧПУ

После более чем десяти лет поддержки приложений для обработки алюминия в десятках отраслей одни и те же ошибки возникают постоянно. Большинства из них можно избежать.

• Слишком низкая скорость вращения шпинделя, что приводит к налипанию кромки. BUE возникает, когда температура резания на кромке слишком низкая для чистого среза. Алюминий приваривается к поверхности инструмента. Решение нелогично — бегите быстрее, а не медленнее. Большинство операторов инстинктивно снижают скорость, когда качество поверхности ухудшается. Это делает BUE еще хуже.

• Продолжаем работать после того, как стружка начнет наматывать инструмент. Как только вы увидите обертку чипа, остановите цикл. Стружка, обернутая вокруг фрезы, действует как абразивная втулка, одновременно задирая поверхность детали и инструмент. Очистите стружку, проверьте канавки и скорректируйте свою стратегию разрушения стружки, прежде чем продолжить.

• Применение параметров резки чугуна к алюминию. Более низкие скорости подачи и консервативные настройки глубины резания, которые защищают чугунную установку, фактически увеличивают температуру резания алюминия, поскольку инструмент остается в контакте с заготовкой слишком долго на единицу удаленного материала. Алюминий требует быстрой очистки.

• Неправильная концентрация охлаждающей жидкости, вызывающая окисление поверхности. Алюминий чувствителен к pH охлаждающей жидкости. Полусинтетические и синтетические охлаждающие жидкости в концентрации выше 8–10% могут оставлять остатки, ускоряющие поверхностное окисление, особенно на анодированных заготовках 6061-T6. Следуйте рекомендованному производителем охлаждающей жидкости диапазону концентрации — не думайте, что чем больше, тем лучше.

• Игнорирование теплового расширения прецизионных деталей с длительным циклом обработки. Алюминиевая пластина диаметром 500 мм заметно нагревается в течение 30-минутного цикла черновой обработки. Если вы гонитесь за допуском ±0,01 мм, вам необходимо обеспечить паузу между черновой и чистовой обработкой или использовать достаточно агрессивную стратегию подачи СОЖ, чтобы поддерживать тепловое равновесие с начала цикла.

• Использование плоского станка для крупнообъемной токарной обработки алюминия. Я видел, как предприятия обрабатывают алюминиевые прутки на токарных станках с плоской станиной и принимают накладные расходы на управление стружкой как обычно. Это не так. Станок с наклонной станиной, работающий по той же программе, будет производить более стабильные детали в час, поскольку операторы не останавливаются, чтобы удалить стружку вокруг передней бабки каждые 15 минут.

Решения SZGHTECH для обработки алюминия

Все машины сертифицированы CE и ISO 9001. Стандартный срок выполнения — 20–35 рабочих дней. Гарантия 12 месяцев с момента поставки.

Часто задаваемые вопросы

В1: Какая скорость шпинделя мне нужна для обработки алюминия на станке с ЧПУ?

Для общего фрезерования алюминия — цельных деталей, средней партии, стандартных допусков — достаточно 8000 об/мин. Он обеспечивает скорость резания в диапазоне 300–500 м/мин при типичных диаметрах инструмента, что соответствует большинству операций 6061-T6 и 7075. Если вы обрабатываете тонкие стенки толщиной менее 2 мм, чистовую обработку до Ra 0,8 мкм или выше или осуществляете крупносерийное производство, где время цикла определяет вашу экономику, вам нужна скорость 24 000 об/мин. На такой скорости силы резания падают, срок службы инструмента увеличивается, а качество поверхности заметно улучшается за один проход.

В2: Какой станок с ЧПУ лучше всего подходит для обработки алюминия 7075?

Сплав 7075-T651 тверже и прочнее, чем 6061. Для него требуется жесткий шпиндель, хорошие характеристики демпфирования и достаточная скорость шпинделя для поддержания контролируемой температуры резки. Для деталей среднего размера из 7075 наш VMC850 хорошо сочетает жесткость и скорость. Для больших структурных панелей 7075 — рам дронов, кронштейнов для аэрокосмической отрасли — электрический шпиндель SZGH-1090D со скоростью 24 000 об/мин и конструкция с фиксированным порталом дают наилучшие результаты. Фиксированный рабочий стол исключает потерю динамической точности, возникающую при перемещении тяжелых заготовок с высокой скоростью подачи.

Вопрос 3: Почему при обработке алюминия требуется более высокая скорость вращения шпинделя, чем при обработке стали?

Оптимальная скорость резки алюминия в 3–5 раз выше, чем стали, выражается в поверхностных метрах в минуту. Сталь хорошо режется на скорости 80–200 м/мин. Алюминий требует скорости 300–800 м/мин в зависимости от сплава. Для данного диаметра инструмента достижение таких скоростей резания требует пропорционально более высоких оборотов. Если вы обрабатываете алюминий со скоростью шпинделя, равной скорости стали, температура резания на кромке падает ниже порога, при котором алюминий срезается чисто — и вместо этого он начинает привариваться к фрезе. Это наросты на кромке, и они почти сразу же разрушают отделку поверхности.

Вопрос 4. Как предотвратить повторную резку стружки при обработке алюминия на токарном станке с ЧПУ?

Начните с геометрии станка: токарный станок с наклонной станиной под углом 45° отбрасывает стружку из зоны резания под действием силы тяжести. На плоской станине стружка скапливается вокруг инструмента и втягивается обратно в рез. Помимо выбора станка, используйте пластины с положительной геометрией переднего угла и канавками для стружколома, разработанными специально для алюминия — они позволяют получать более короткую стружку, которая не запутывается. Направьте форсунки СОЖ на смыв стружки с обрабатываемой поверхности, а не просто на охлаждение инструмента. А в свой G-код включите периодические остановки для очистки стружки при операциях глубокого растачивания с длинным циклом.

В5: Какую смазочно-охлаждающую жидкость следует использовать для обработки алюминия на станках с ЧПУ?

Полусинтетические или синтетические охлаждающие жидкости в концентрации 5–8% хорошо подходят для большинства алюминиевых сплавов. Поддерживайте pH в пределах от 8,5 до 9,5 — слишком щелочной уровень, и вы увидите белые отложения на анодированном сплаве 6061. При высокоскоростной чистовой обработке косметических деталей смазка минимальным количеством (MQL) маслом на растительной основе обеспечивает более чистые поверхности, чем проливная СОЖ, поскольку позволяет избежать теплового удара между резом и контактом с охлаждающей жидкостью. Избегайте масел для прямой резки алюминия — они плохо смывают стружку и ухудшают видимость рабочей зоны.

Вопрос 6: Могу ли я обрабатывать алюминий на станке с ЧПУ, предназначенном для стали?

Можно, с ограничениями. VMC, оптимизированные для стали, обычно достигают максимальной скорости 6000–8000 об/мин и рассчитаны на более низкие скорости резания и более высокий крутящий момент. Они будут обрабатывать алюминий, но вы не добьетесь качества поверхности и времени цикла, которые может обеспечить станок, оптимизированный для обработки алюминия. Более практично: сталелитейные станки часто имеют системы управления стружкой, предназначенные для короткой, хрупкой стальной стружки. Длинная, волокнистая алюминиевая стружка быстро выйдет из строя эти системы, требуя частого вмешательства оператора. Если алюминий составляет более 20 % объема вашего производства, специализированная машина окупает свои затраты за счет сокращения времени простоя и повышения производительности.

Вопрос 7: Какого качества поверхности можно добиться на алюминии с помощью шпинделя, вращающегося на 24 000 об/мин?

При правильном выборе инструмента и параметров на нашем SZGH-1090D можно получить Ra 0,4–0,8 мкм при чистовом проходе на 6061-T6 без вторичных операций. Благодаря двухзубой концевой фрезе с полированными канавками при полных оборотах 24 000 об/мин и небольшой глубине чистовой обработки 0,1–0,2 мм некоторые клиенты стабильно достигают Ra 0,4 мкм — достаточно, чтобы значительно сократить время полировки перед анодированием. Поверхностная обработка сплава 7075 будет немного шероховатой при тех же параметрах из-за более высокой твердости сплава, но Ra 0,8 мкм регулярно достижима.

Вопрос 8: Каковы сроки поставки станков с ЧПУ SZGHTECH, оптимизированных для обработки алюминия?

Стандартное время выполнения заказа для всех моделей, включая SZGH-1090D, составляет 20–35 рабочих дней с момента подтверждения заказа. Для заказов с нестандартными конфигурациями шпинделя или управления время выполнения может немного увеличиться — свяжитесь с нами, чтобы подтвердить конкретную конфигурацию, прежде чем переходить к графику производства. Все машины поставляются с протоколами заводских приемочных испытаний и 12-месячной гарантией на шпиндель, механические и электрические компоненты.

Запросить цену