Aluminium är det mest förekommande metalliska elementet i jordskorpan och den mest använda icke-järnhaltiga metallen i modern tillverkning. Det förekommer i vardagsprodukter som hushållsfolie och dryckesburkar, och även i krävande applikationer som rymdfarkoststrukturer och ubåtskomponenter. Vid CNC-bearbetning är arbetsstycket dock nästan aldrig rent aluminium: nästan varje bearbetad del är tillverkad av en specifik smideslegering och härdning, vald för en balans mellan styrka, korrosionsbeständighet, bearbetbarhet, dimensionsstabilitet och kostnad.
Nyckelegenskaper som påverkar bearbetning
Aluminium kombinerar hög duktilitet och plasticitet med låg densitet, god elektrisk och termisk ledningsförmåga och pålitlig korrosionsbeständighet. När en nyskuren yta exponeras för luft, bildas en tunn och tätt vidhäftande oxidfilm spontant och skyddar den underliggande metallen; samma film kan förtjockas medvetet genom anodisering när en hårdare, mer slitstark yta krävs. Egenskaperna nedan avgör hur materialet beter sig på ett bearbetningscenter.
Densitet:cirka 2,70 g/cm3 för vanliga legeringar (2,70 för 6061, 2,81 för 7075), ungefär en tredjedel av kolstål.
Smältpunkt:cirka 660 grader C för rent aluminium, långt under de ungefär 1450 graderna C för kolstål, så högtemperaturservice är inte lämpligt.
Värmeledningsförmåga:cirka 200 till 235 W/(mK) för smideslegeringar, mot ungefär 50 W/(mK) för kolstål; värme lämnar skärzonen snabbt men strömmar också in i fixturen och maskinramen.
Elasticitetsmodul:cirka 69 GPa, så tunna väggar och smala verktyg avböjs lätt och drar nytta av räffling eller minskat radiellt ingrepp.
Termisk expansion:cirka 23 x 10-6 per K, ungefär dubbelt så mycket som stål, vilket gör temperaturkontroll viktig när toleranserna är snäva.
Återvinningsbarhet:Omsmältning av återvunnet aluminium sparar upp till 95 procent av den energi som behövs för att producera primärmetall.
Samma egenskaper definierar gränserna för materialet. Aluminium är mjukare än stål och är inte förstahandsvalet för delar som måste klara kraftiga stötar eller extrema belastningar. Dess höga termiska expansion och låga smältpunkt gör att överdriven skärvärme orsakar distorsion och gör nära toleranser svåra att hålla, medan dess låga styvhet uppmuntrar till tjatter när ostödda sektioner bearbetas aggressivt.
Serien åtta smideslegeringar
Smidesaluminium delas in i åtta serier enligt det huvudsakliga legeringselementet. Varje serie har en karaktäristisk uppsättning egenskaper, och valet av serie avgör vanligtvis mer om en bearbetad del än något annat enskilt beslut.
| Serie | Huvudlegeringselement | Typiska betyg | Beteende vid bearbetning |
|---|---|---|---|
| 1000 | Ingen, renhet på 99,00 procent eller högre | 1050, 1060, 1100 | Mjukaste och mest sega; bästa ledningsförmåga; gummiaktiga chips och dålig spånbrytning |
| 2000 | Koppar, cirka 3 till 5 procent | 2024, 2A16 | Hög hållfasthet och hårdhet; friskärningsvarianter innehåller bly och vismut; begränsad korrosionsbeständighet |
| 3000 | Mangan, cirka 1,0 till 1,5 procent | 3003, 3004, 3A21 | God bearbetbarhet och rostbeständighet; inte värmebehandlas |
| 4000 | Kisel, typiskt 4,5 till 6,0 procent | 4A01, 4043, 4047 | Låg smältpunkt; används för tillsatstråd, beklädnad och slitstarka delar |
| 5000 | Magnesium | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Endast arbetshärdning; 5052 innehåller cirka 2,2 till 2,8 procent Mg och 5083 cirka 4,0 till 4,9 procent Mg; stark, seg och lättformad |
| 6000 | Magnesium och kisel | 6061, 6063, 6082 | Standardvalet för bearbetade komponenter; nederbördshärdbar med god ytfinish |
| 7000 | Zink, med koppar och magnesium | 7075, 7050 | Högsta hållfasthet efter nederbördshärdning; användning av flyg; lägre korrosionsbeständighet |
| 8000 | Andra grundämnen som järn och litium | 8011, 8176 | Fånga alla serier; 8176 innehåller cirka 0,6 procent Fe och 0,1 procent Si och används för ledartråd |
Serie 3000, 4000 och 5000 legeringar kan inte förstärkas genom värmebehandling: de får styrka endast genom kallreduktion, det vill säga arbetshärdning. Serie 1000 är den billigaste och mest ledande, serie 2000 och 7000 ger den högsta hållfastheten och serie 6000 erbjuder den bästa kompromissen mellan styrka, korrosionsbeständighet, svetsbarhet och bearbetningsbeteende.
Tempereringsbeteckningar och värmebehandling
Tempereringsbeteckningen följer legeringsnumret och beskriver materialets metallurgiska tillstånd. För bearbetade delar är de angivna temperaturerna oftast O för glödgat material, H för töjningshärdade härdar såsom H14, H22 och H24, och T för termiskt behandlade härdar. T-gruppen är ytterligare uppdelad: T4 täcker lösningsvärmebehandling följt av naturlig åldring, T5 täcker kylning från en förhöjd temperaturformningsprocess följt av artificiell åldring, och T6 täcker lösningsvärmebehandling följt av artificiell åldring. 6061-T6 och 7075-T6 är de två temperament som nämns oftast för precisionskomponenter.
Värmebehandling är inte en bearbetningsparameter, men den ändrar nästan varje bearbetningsparameter. Lösningsbehandling följt av artificiellt åldrande ökar sträckgränsen och hårdheten, förändrar spånbildning och skärkrafter och ökar risken för snedvridning. När en del tillverkas av T6-material rekommenderas lätta efterbearbetningar och spänningsavlastade stång, så att kvarvarande spänningar som släpps ut av materialborttagning inte drar delen ur toleransen efter att fixturen har öppnats.
Välja en legering för en specifik maskinbearbetad del
Strukturella delar för allmänna ändamål:6061-T6 ger god hållfasthet, utmärkt korrosionsbeständighet, svetsbarhet och ett rent anodiserat utseende.
Högsta hållfasthet i tunna sektioner:7075-T6 erbjuder den högsta styrkan av de vanliga sorterna, med 7050 att föredra där tunga sektioner måste kylas utan överdriven förvrängning.
Skruvbearbetning med hög volym:2011 och 2024 fria skärkvaliteter bryter spån rent och tolererar höga matningshastigheter, på bekostnad av korrosionsbeständighet.
Elektrisk och termisk hårdvara:1050, 1060 och 1100 utnyttjar den högsta konduktiviteten och den lägsta råvarukostnaden.
Marina och tryckapplikationer:5052 och 5083 motstår saltvattenangrepp och föredras där korrosionsbeständigheten uppväger styrkan.
Arkitektoniska profiler och hus:6063 ger en slät anodiseringsyta med måttlig styrka.
Maskinbearbetning och processkontroll
Aluminium skärs vid höga ythastigheter, ofta 200 till 600 m/min med hårdmetallverktyg i 6061-T6, med hjälp av polerade räfflor, generösa spånvinklar och antingen översvämningskylvätska eller högtrycksluftdimma. De största riskerna är uppbyggd kant på de mjukare temperamenten, spånpackning i djupa fickor och termisk distorsion i tunna väggar. Skarpa, obelagda hårdmetall- eller polerade diamantbelagda verktyg, klättringsfräsning med lätt radiellt ingrepp och korta spårlängder förbättrar stabiliteten.
Generella toleranser på plus eller minus 0,05 mm kan uppnås på medelstora delar, och plus eller minus 0,01 mm är realistiskt där geometrin är stel och termiskt stabil. Ytbehandlingar från Ra 3,2 mikrometer ner till Ra 0,8 mikrometer är rutin, och anodisering, kromatomvandlingsbeläggning eller lasermärkning är vanliga efterföljande operationer. Där en ritning åberopar ett allmänt toleranssystem, refereras som regel till ISO 2768 i klass m eller f, och mekanisk verifiering av den färdiga delen följer vanligtvis ASTM E8/E8M för spänningsprovning eller ASTM E384 för mikrointryckshårdhet.
Vanliga frågor
F: Vilken aluminiumlegering är bäst för CNC-bearbetade delar?
6061-T6 passar de flesta komponenter eftersom den balanserar styrka, korrosionsbeständighet, svetsbarhet och kostnad. Ange 7075-T6 endast där högre hållfasthet motiverar ett högre pris och minskad korrosionsbeständighet, och 5083 eller 5052 där saltvattenexponering dominerar designen.
F: Kan aluminiumlegeringar värmebehandlas efter bearbetning?
Endast nederbördshärdande legeringar i serierna 2000, 6000 och 7000 svarar på värmebehandling. Serie 1000, 3000, 4000 och 5000 legeringar stärks av kallt arbete, så all värmebehandling kommer bara att mjuka upp dem.
F: Varför förvrids aluminium under bearbetning?
Tre effekter kombineras: den låga smältpunkten begränsar värmen som materialet kan absorbera, värmeutvidgningskoefficienten är ungefär dubbelt så hög som stål, och restspänningar som är låsta i valsade eller extruderade material frigörs när materialet avlägsnas. Avspänningsavlastning, symmetrisk materialborttagning och generös kylvätska minskar alla problemet.
F: Hur påverkar temperament bearbetbarheten?
Mjukare spån som O och H14 bildar långa gummiaktiga spån som byggs upp på skäreggen, medan T6 och T651 spån ger korta, väl brutna spån och tillåter högre skärhastigheter med bättre ytfinish på styvt hållna delar.
F: Vilka toleranser är realistiska för aluminiumbearbetade delar?
En generell tolerans på plus eller minus 0,05 mm är normalt, plus eller minus 0,02 mm kan uppnås med temperaturkontroll, och plus eller minus 0,01 mm kräver en stabil fixtur, anpassade verktyg och inspektion i en kontrollerad miljö.
F: Hur ska aluminiumdelar skyddas efter bearbetning?
Anodisering bygger ett hårt oxidskikt för slitage och utseende, kromatomvandlingsbeläggning bibehåller konduktiviteten samtidigt som det ger korrosionsskydd, och enkel förseglad förpackning med ångfasskydd är tillräcklig för delar som ska målas eller monteras snabbt.
