Обробка алюмінієвих сплавів: як вибрати правильний верстат з ЧПК

Алюміній виглядає як найлегший матеріал для обробки. З мого досвіду, це матеріал, який виявляє найбільше недоліків машини — тому що ви використовуєте його швидко, а швидкість підсилює кожну слабкість у налаштуваннях. Помилково вибравши машину, алюміній покарає вас нарощеним краєм на ріжучому інструменті, довгою стружкою, яка заглушає ваш робочий конверт, і обробкою поверхні, яка не перевіряється кожного циклу.

Чому обробка алюмінію має унікальні вимоги до машини

Алюмінієві сплави швидко видаляють матеріал — але тільки якщо ваша машина може встигати. На відміну від сталі, алюміній вимагає високої швидкості шпинделя для досягнення швидкості різання, яка запобігає утворенню кромки (BUE) на інструменті. Його довга безперервна морфологія стружки створює проблеми з евакуацією, для вирішення яких не призначені машини загального призначення. Алюміній добре проводить тепло, що звучить як перевага, але його високий коефіцієнт теплового розширення означає, що точність розмірів страждає, якщо стратегія охолодження та тривалість циклу не ретельно керуються. Вимоги до обробки поверхні для алюмінієвих деталей — часто Ra 0,8 мкм або вище для косметичних і аерокосмічних застосувань — вимагають як жорсткості, так і частоти обертів, які не можуть забезпечити багато машин середнього класу одночасно.

Для нас у SZGHTECH обробка алюмінію була однією з основних рушійних сил нашої лінійки високошвидкісних шпинделів. Коли клієнти почали наполягати на швидшому циклі виготовлення алюмінієвих корпусів, кронштейнів і структурних рам, попит на здатність електричного шпинделя до 24 000 об/хв стало неможливо ігнорувати.

Три сімейства алюмінієвих сплавів і їх відмінності в машинобудуванні

Не весь алюміній є однаковим на ріжучій кромці. Покупці часто специфікують машину на основі 'алюмінію' як одну категорію, а потім стикаються з проблемами, коли фактичний сплав поводиться не так, як вони очікували.

7075 значно складніший за 6061, і багато покупців недооцінюють цю різницю. Я бачив, як магазини запускають 7075-T651 з тими самими параметрами, що й для 6061, і дивуюся, чому їхній термін служби інструменту вдвічі менший, ніж вони очікували. Вміст цинку в 7075 збільшує силу різання та генерує більше тепла на кромці. Вам потрібен більш жорсткий шпиндель, краща амортизація та, у багатьох випадках, зменшення подачі на зуб, щоб захистити фрезу.

Литий алюміній (A380) — це інша історія — він м’якший, але вміст кремнію робить його абразивним. Карбід без покриття швидко зношується. Вам потрібен інструмент із покриттям і охолоджуюча рідина, спрямована точно в зону різання.

Швидкість шпинделя: чому алюмінію потрібно більше обертів, ніж сталі

Фрезерування сталі зазвичай виконується зі швидкістю різання 80–200 м/хв. Алюміній хоче 400–800 м/хв або швидше. Для заданого діаметра інструменту це вимагає значно вищих обертів шпинделя. Фізика проста:

Vc (м/хв) = (π × D × n) / 1000

Де D = діаметр інструменту в мм, n = швидкість шпинделя в об/хв.

Корпус для 8000 об/хв: загальне фрезерування алюмінію

Шпиндель зі швидкістю обертання 8000 об/хв компетентно виконує більшість виробничих робіт з алюмінію. При 8000 об/хв з торцевою фрезою Ø12 мм:

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

Це в межах нижнього діапазону для 6061-T6 і підходить для проходів чорнової обробки на 7075. Для середньосерійного виробництва суцільних алюмінієвих компонентів — структурних кронштейнів, основ радіатора, корпусів із товщиною стінок понад 3 мм — шпиндель із частотою 8000 об/хв дає поєднання крутного моменту та швидкості, яке забезпечує чорнову та напівчистову обробку без шкоди для довговічності інструменту.

Наш VMC850 працює зі швидкістю 8000 обертів на хвилину з роликовими напрямними HIWIN 35 мм, точністю позиціонування ±0,003 мм і ATC з 24 інструментами. Він добре справляється з алюмінієвими деталями середнього розміру в різних галузях промисловості: основи форм, автомобільні структурні компоненти та корпуси електроніки в діапазоні 300–700 мм. При потужності шпинделя 11/15 кВт він не голодує під час агресивних чорнових проходів у 7075.

Корпус для 24 000 об/хв: високошвидкісна обробка та тонкостінні деталі

Якщо ваша деталь має тонкі стінки, глибокі кишені або вимоги до якості поверхні Ra 0,8 мкм або вище, 8000 об/хв недостатньо. Вам потрібно зменшити сили різання — що означає менші навантаження стружки на зуб — і компенсувати це значно вищою швидкістю різання, щоб зберегти швидкість видалення матеріалу.

При 24 000 об/хв з торцевою фрезою Ø10 мм:

Vc = (π × 10 × 24000) / 1000 = ~754 м/хв

Це точно ставить вас у зону високої ефективності для 6061-T6 та у верхній діапазон чистових проходів для 7075. Сила різання суттєво падає. Тонкі стінки не прогинаються і не стукають. Поверхнева обробка значно покращується, оскільки кожен зуб робить менший і чистіший прикус із більшою швидкістю.

Електричний шпиндель зі швидкістю 24 000 обертів на хвилину на нашому SZGH-1090D не вказано в технічних характеристиках. Він надійшов від замовника з Індії, який обробляв пластини рами безпілотника — 7075-T651, товщиною 8 мм, складні кишені. На шпинделі з частотою обертання 8000 обертів на хвилину інструменти зношувалися кожні 40 хвилин. При 24 000 об/хв із правильною траєкторією інструменту той самий різець витримав повну зміну. Їхній час циклу на деталь скоротився з 45 хвилин до 18 хвилин. Саме такий результат є основою для прийняття рішень щодо дизайну шпинделя на нашому рівні.

SZGH-1090D використовує електричний шпиндель Jiangsu Ronghua, конус BT30, вихідну потужність 11 кВт із фіксованим робочим столом 900×1000 мм. Конструкція стаціонарного столу має вирішальне значення: коли ви обробляєте великі алюмінієві пластини, вага заготовки не переміщує осі столу, що забезпечує стабільну динамічну точність за високих швидкостей подачі.

Евакуація чіпа: проблема, яку більшість покупців забувають

Алюміній виробляє довгу жилаву стружку, особливо 6061-T6. Коли ця стружка накопичується в кишені або навколо різака, її повторно ріжуть. Повторне різання алюмінієвої стружки робить дві речі: погіршує обробку поверхні та генерує тепло на кромці інструменту, що прискорює утворення BUE.

Я бачу, що видалення мікросхем постійно недооцінюється. Мені зателефонував клієнт, який працює з алюмінієм у універсальному VMC, оскільки обробка поверхні погіршилася після 20 хвилин безперервного різання. Алюмінієва стружка була довгою, тягучою, накопичувалася в кишені, і різак перерізав її. Це не була проблема з інструментом. Це була проблема компонування машини — VMC мав конвеєр стружки з плоским столом, який не міг достатньо швидко очистити стружку від роботи з глибокою порожниною.

Розчини пошарові:

• Геометрія машини : на VMC шукайте машини з конвеєрами бічного відведення стружки, розташованими безпосередньо під робочою зоною. Шнеки для стружки, які проходять по периметру основи, ефективно переміщують алюмінієву стружку. На токарних верстатах станина з нахилом 45° створює природну траєкторію падіння під дією сили тяжіння — стружка випадає з робочої зони без втручання оператора.

• Інструмент для стружколома : для токарних операцій використовуйте пластини з позитивною передньою геометрією та вбудованими канавками для стружколома, розроблені спеціально для алюмінію. Не використовуйте сталеві вставки на алюмінії; вони будуть виробляти мікросхеми, які занадто довгі, щоб керувати ними.

• Охолоджуюча рідина під високим тиском : спрямована охолоджуюча рідина під тиском 40–70 бар механічно руйнує стружку та вимиває її із зони різання. Це особливо важливо при фрезеруванні кишень і глибокому свердлінні алюмінію.

• Стратегія траєкторії інструменту : у програмуванні CAM включайте проходи очищення стружки та уникайте довгих безперервних трохоїдальних траєкторій без рухів руйнування стружки під час різання глибоких кишень у 6061.

Токарні верстати з ЧПУ для алюмінію: похила станина майже завжди краща

Для точіння алюмінію конфігурація верстата має таке ж значення, як і швидкість шпинделя. Плоскі токарні верстати з ЧПК накопичують стружку на кришках напрямних, потребують частішого очищення вручну, і їм важко підтримувати якість поверхні під час тривалої безперервної роботи.

Нахил станини під кутом 45° на наших токарно-фрезерних верстатах не випадковий. Він був спеціально обраний для точіння алюмінію: стружка падає прямо вниз, не накопичується на кришках напрямних, і ви можете впевнено працювати зі швидкістю 4000 об/хв. Якщо ви поєднаєте цю геометрію з віссю С і оперативним інструментом, ви зможете завершити складну алюмінієву деталь — обточений внутрішній діаметр, фрезеровані деталі, просвердлені поперечні отвори — за одну установку. Ось де скорочення часу циклу справді поєднується.

наш Токарно-фрезерний компаунд SZGH-46Z обробляє деталі класу Ø460 мм із повною віссю С, живим інструментом і геометрією станини під кутом 45°. Для алюмінієвих валів, корпусів і корпусів з’єднувачів він усуває другу операцію, яка в іншому випадку вимагала б циклу кріплення VMC.

Для спрощення роботи з точіння алюмінію вісь Y SZGH-46 додає вісь Y до конфігурації токарного центру, що дозволяє фрезерувати деталі поза центром без повної складності токарно-фрезерного компаунду. The SZGH-TK50 обробляє алюмінієві деталі більшого діаметру, де діаметр отвору або вага деталі перевищує межу 46Z.

Усі наші токарні верстати з похилою станиною розраховані на 3500 об/хв і вище, що достатньо для точіння алюмінію на рекомендованих швидкостях різання з діаметром заготовки до Ø50 мм.

VMC для алюмінію: підбір машини до розміру деталі

Вибір VMC для алюмінію залежить не лише від швидкості шпинделя. Розмір столу, переміщення по осі Z, місткість інструментального магазину та управління стружкою визначають, чи підходить машина для застосування. Ось як ми сегментуємо вибір VMC алюмінію в SZGHTECH.

Компактні деталі (до 300 мм): SZGH-540 / SZGH-650

SZGH -540 — це наш малоформатний VMC, розроблений для великого обсягу компактних алюмінієвих деталей, які домінують у побутовій електроніці, телекомунікаційному обладнанні та виробництві точних роз’ємів. Невелика площа, швидка зміна інструменту та специфікація шпинделя, що підходить для інструментів малого діаметру з алюмінію.

SZGH -650 покращує межі за допомогою конічного шпинделя BT40 — краще підходить для алюмінієвих деталей, які вимагають більших торцевих фрез або фрез зі змінним уступом. Якщо ваші деталі менше 300 мм, а розміри вашої партії обчислюються сотнями на тиждень, 650 забезпечить вам потужність без надмірного будівництва.

Деталі середнього класу (300–700 мм): VMC650 / VMC850

VMC650 . націлений на середній діапазон: заготовки електродів прес-форм, структурні кронштейни, опорні пластини радіатора та автомобільні алюмінієві компоненти Роликові напрямні HIWIN, 16 інструментів ATC, позиціонування ±0,005 мм — це конфігурація «робочої конячки» для цехів, які виконують комбіновані роботи з алюмінію та легкої сталі.

VMC850 . розширює робочий діапазон і оновлює роликові напрямні HIWIN 35 мм для кращої жорсткості під час агресивної чорнової обробки алюмінію Точність позиціонування ±0,003 мм робить його придатним для алюмінієвих деталей із вузькими допусками на отвори — корпусів підшипників, гідравлічних колекторів і прецизійних кожухів, де розміри повинні зберігатися протягом повних виробничих циклів. При вазі машини 4500 кг вона має достатню масу, щоб погасити вібрацію, яку створює високошвидкісне різання алюмінію.

Великі алюмінієві пластини та структурні частини: SZGH-1090D (портальний)

SZGH -1090D спеціально створений для великоформатних алюмінієвих робіт: каркаси дронів, аерокосмічні структурні панелі, компоненти автомобільних акумуляторних батарей і архітектурні екструзійні профілі, які вимагають точного фрезерування кишень на робочій площі 900 × 1000 мм.

Конструкція порталу з фіксованим столом означає, що робочий стіл не рухається — лише шпиндельний міст перетинає осі X і Y. Коли ви тримаєте на столі алюмінієву пластину вагою 40 кг, це має значення: динамічна точність різу не погіршується, коли стіл сповільнюється під навантаженням. У поєднанні з 24 000 об/хв електричним шпинделем і повторюваним позиціонуванням 0,01 мм 1090D виготовляє великі алюмінієві деталі з консистенцією, з якою не можуть зрівнятися VMC з рухомими столами цього класу розмірів.

Один із наших клієнтів перейшов зі звичайного VMC на 8000 об/хв на 1090D для виробництва рами дронів. Поєднання вищої швидкості шпинделя, кращого відводу стружки з конструкції стаціонарного столу та більшої робочої зони скоротило загальний час обробки на кадр більш ніж на 40%.

Вибір інструменту та параметри різання алюмінію

Вибір інструменту – це те, де обробка алюмінію або поєднується, або розпадається. Неправильне покриття перетворює алюміній на проблему зварювання — буквально. Алюміній прилипає до непокритого твердосплавного інструменту та інструменту з покриттям TiN на високих швидкостях різання, утворюючи BUE, який руйнує обробку поверхні за лічені хвилини.

Рекомендовані параметри різання за сплавом

Я вибираю покриття TiB₂ (диборид титану) і ZrN (нітрид цирконію), оскільки обидва мають низьку спорідненість з алюмінієм. На відміну від TiAlN, який чудово підходить для сталі, TiAlN реагує з алюмінієм при підвищених температурах різання та сприяє зчепленню. TiB₂ спеціально розроблений, щоб протистояти цьому. Під час високошвидкісних чистових проходів при 24 000 об/хв різницю в довговічності інструменту між кінцевою фрезою з покриттям TiB₂ і твердосплавною фрезою без покриття можна виміряти протягом однієї зміни.

Для чорнової обробки торцеві фрези з 3 канавками з алюмінію дають більше місця для стружки на канавку, ніж фрези з 4 канавками. Для фінішної обробки на високій швидкості торцеві фрези з двома гранцями забезпечують найкращу обробку поверхні на 6061 за один прохід.

Типові помилки при обробці алюмінію з ЧПУ

Після більш ніж десятиліття підтримки програм обробки алюмінію в десятках галузей промисловості одні й ті ж помилки з’являються постійно. Більшості з них можна уникнути.

• Занадто низька швидкість обертання шпинделя, що спричиняє накопичення кромки. BUE виникає, коли температура різання на краю надто низька для чистого зрізу. Алюміній приварюється до поверхні інструменту. Виправлення суперечить інтуїції — бігайте швидше, а не повільніше. Більшість операторів інстинктивно знижують швидкість, коли якість поверхні погіршується. Це погіршує BUE.

• Продовження роботи після того, як стружка почне обертати інструмент. Коли ви побачите загортання стружки, зупиніть цикл. Стружка, намотана навколо фрези, діє як абразивна втулка, яка надрізає поверхню деталі та інструмент одночасно. Очистіть стружки, перевірте канавки та налаштуйте свою стратегію руйнування стружки, перш ніж продовжити.

• Застосування параметрів різання чавуну до алюмінію. Нижчі швидкості подачі та консервативні налаштування глибини різання, які захищають чавунну установку, фактично підвищать температуру різання алюмінію, оскільки інструмент залишається в контакті із заготовкою занадто довго на одиницю видаленого матеріалу. Алюміній потрібно швидко очищати.

• Неправильна концентрація охолоджуючої рідини викликає окислення поверхні. Алюміній чутливий до pH теплоносія. Напівсинтетичні та синтетичні охолоджуючі рідини в концентраціях вище 8–10% можуть залишати залишки, які прискорюють окислення поверхні, особливо на анодованих заготовках 6061-T6. Дотримуйтесь діапазону концентрацій, рекомендованого виробником охолоджуючої рідини — не вважайте, що більше – краще.

• Ігнорування теплового розширення точних деталей з тривалим циклом. Алюмінієва пластина діаметром 500 мм помітно нагрівається протягом 30-хвилинного циклу чорнової обробки. Якщо ви прагнете допусків ±0,01 мм, вам потрібно передбачити час охолодження між чорновою та фінішною обробкою або використовувати стратегію охолоджуючої рідини, достатньо агресивну для підтримки теплової рівноваги з початку циклу.

• Використання плоского верстата для точіння великого обсягу алюмінію. Я бачив, як магазини запускають алюмінієву заготовку на плоских токарних верстатах і сприймають накладні витрати на керування стружкою як звичайне. Це не так. Машина з похилою станиною, яка працює за тією ж програмою, вироблятиме стабільніші деталі на годину, оскільки оператори не зупиняються, щоб очистити стружки навколо передньої бабки кожні 15 хвилин.

Рішення SZGHTECH для обробки алюмінію

Усі машини мають сертифікати CE та ISO 9001. Стандартний термін виконання 20-35 робочих днів. Гарантія 12 місяців з моменту доставки.

Часті запитання

Q1: Яка швидкість шпинделя мені потрібна для обробки алюмінію з ЧПУ?

Для звичайного фрезерування алюмінію — суцільні деталі, середня партія, стандартні допуски — достатньо 8000 об/хв. Він дає вам швидкість різання в діапазоні 300–500 м/хв із типовими діаметрами інструментів, що охоплює більшість робіт 6061-T6 і 7075. Якщо ви обробляєте тонкі стінки менше 2 мм, фінішну обробку до Ra 0,8 мкм або вище, або використовуєте великосерійне виробництво, де тривалість циклу впливає на економію, вам потрібна швидкість 24 000 об/хв. На цій швидкості сили різання падають, термін служби інструменту подовжується, а обробка поверхні помітно покращується за один прохід.

Q2: Який найкращий верстат з ЧПК для обробки алюмінію 7075?

7075-T651 є твердішим і міцнішим, ніж 6061. Їй потрібен жорсткий шпиндель, хороші характеристики демпфування та достатня швидкість шпинделя, щоб контролювати температуру різання. Для деталей середнього розміру 7075 наш VMC850 добре справляється з поєднанням жорсткості та швидкості. Для великих структурних панелей 7075 — рам дронов, аерокосмічних кронштейнів — електричний шпиндель SZGH-1090D зі швидкістю 24 000 обертів на хвилину та стаціонарна конструкція порталу дають найкращі результати. Фіксований робочий стіл усуває динамічну втрату точності, яку ви отримуєте від переміщення важких заготовок із високою швидкістю подачі.

Q3: Чому для обробки алюмінію потрібна більша швидкість шпинделя, ніж для обробки сталі?

Оптимальна швидкість різання для алюмінію в 3–5 разів вища, ніж для сталі, виражена в метрах поверхні за хвилину. Сталь добре ріже при 80–200 м/хв. Алюміній потребує 300–800 м/хв залежно від сплаву. Для заданого діаметра інструменту досягнення таких швидкостей поверхні вимагає пропорційно вищих обертів на хвилину. Якщо ви обробляєте алюміній на швидкості шпинделя на рівні сталі, температура різання на кромці падає нижче порогового значення, коли алюміній ріжеться чисто — і натомість він починає зварюватися на різці. Це накопичений край, і він майже миттєво руйнує обробку поверхні.

Q4: Як запобігти повторному різанню стружки під час обробки алюмінію на токарному верстаті з ЧПК?

Почніть із геометрії верстата: токарний верстат із похилою станиною 45° відкидає стружку із зони різання під дією сили тяжіння. На платформі стружка накопичується навколо інструменту та повертається назад у розріз. Окрім вибору машини, використовуйте геометричні пластини з позитивними передніми кутами та спеціальними для алюмінію канавками стружколома — вони створюють коротшу стружку, яка не плутається. Спрямуйте форсунки охолоджуючої рідини на відведення стружки з обробленої поверхні, а не просто на охолодження інструменту. І включіть у свій G-код періодичні переміщення для очищення стружки під час довгоциклових операцій глибокого свердління.

Q5: Яку ріжучу рідину слід використовувати для обробки алюмінію з ЧПУ?

Напівсинтетичні або синтетичні охолоджуючі рідини з концентрацією 5–8% добре підходять для більшості алюмінієвих сплавів. Підтримуйте рН між 8,5 і 9,5 — надто лужний, і ви побачите білі залишки на анодуванні класу 6061. Для високошвидкісних фінішних проходів на косметичних частинах мінімальна кількість змащення (MQL) рослинною олією створює чистіші поверхні, ніж охолоджуюча рідина, оскільки вона запобігає термічному удару між розрізом і контактом охолоджуючої рідини. Уникайте прямих різальних масел для алюмінію — вони не вимивають стружку ефективно та зменшують видимість робочої зони.

Q6: Чи можна обробляти алюміній на верстаті з ЧПК, призначеному для обробки сталі?

Можна, з обмеженнями. Оптимізовані для сталі VMC зазвичай досягають максимуму при 6000–8000 об/хв і орієнтовані на нижчу швидкість різання та вищий крутний момент. Вони оброблятимуть алюміній, але ви не досягнете такого рівня обробки поверхні чи тривалості циклу, які може забезпечити машина, оптимізована для алюмінію. Більш практично: сталеплавильні верстати часто мають системи керування стружкою, розроблені для короткої крихкої сталевої стружки. Довгі, тягучі чіпи алюмінію швидко перевантажать ці системи, вимагаючи частого втручання оператора. Якщо алюміній становить понад 20% вашого обсягу виробництва, цільова машина окупає свої витрати скороченням часу простою та підвищенням продуктивності.

Q7: Яку обробку поверхні я можу отримати на алюмінієвому шпинделі зі швидкістю 24 000 об/хв?

За допомогою правильного інструменту та параметрів на нашому SZGH-1090D Ra 0,4–0,8 мкм можна досягти під час чистового проходу 6061-T6 без додаткових операцій. За допомогою торцевої фрези з полірованими канавками з двома канавками на повних 24 000 об/хв і легкою глибиною фінішної обробки 0,1–0,2 мм деякі клієнти постійно досягають Ra 0,4 мкм — достатньо, щоб значно скоротити час полірування перед анодуванням. Оздоблення поверхні 7075 буде трохи грубішою за тих самих параметрів через вищу твердість сплаву, але Ra 0,8 мкм зазвичай досягається.

Q8: Який час виконання для верстатів з ЧПК SZGHTECH, оптимізованих для алюмінію?

Стандартний термін доставки становить 20–35 робочих днів із моменту підтвердження замовлення для всіх моделей, включаючи SZGH-1090D. Для замовлень із нестандартними конфігураціями шпинделя або керування час виконання може трохи подовжуватися — зв’яжіться з нами, щоб підтвердити вашу конкретну конфігурацію, перш ніж виконувати графік виробництва. Усі машини постачаються з протоколами заводських приймальних випробувань і 12-місячною гарантією на шпиндель, механічні та електричні компоненти.

Запит на ціну