Механическая обработка алюминия

По сравнению с другими конструкционными материалами алюминий и его сплавы довольно легко поддаются механической обработке.

Механическая обрабатываемость алюминия

К механической обработке обычно относят все процессы обработки резанием: токарная обработка, фрезерование, строгание, сверление, пиление и т. д. Поскольку различных алюминиевых сплавов довольно много, то они могут иметь различные характеристики механической обрабатываемости.

Термин обрабатываемость включает все свойства, которые имеют отношение к процессу механической обработки:

• износ режущего инструмента;
• необходимая сила резания;
• форма стружки;
• качество поверхности после механической обработки.

Механическая обрабатываемость не является такими свойством материала, которое можно было бы определить одним характерным параметром. Она является комплексным технологическим термином. Обрабатываемость зависит как от физических и химических свойств алюминия или алюминиевого сплава, так и от производственного процесса, который применялся при изготовлении алюминиевого полуфабриката или изделия.

Параметры механической обработки

Кинематическое взаимодействие инструмента и детали является решающим критерием процесса механической обработки. Строго говоря, термин « обрабатываемость» должен определяться отдельно для каждого отдельного процесса механической обработки (токарной обработки, сверления и т. д.). Обычно из-за четко определенного взаимодействия инструментов и деталей термин «обрабатываемость» относят к процессу токарной обработки.

Каждая технология, которую применяют при механической обработке, зависит от нескольких независимых параметров:

• параметры резания и геометрия инструмента;
• применяемое оборудование;
• материал режущего инструмента.

См. Режущий инструмент для алюминия

Алюминиевая стружка

Форма стружки является важным критерием механической обработке алюминия. Обычно стараются получить короткую цилиндрически свитую стружку, спирально свитую стружку или просто спиральную стружку.

Различных типов алюминиевой стружки довольно много. При большом разнообразии алюминиевых сплавов они могут давать почти все известные формы стружки. Обычно соблюдается следующая закономерность: чем тверже и прочнее алюминиевый сплав, тем короче его стружка. Из нее вытекают следующие общие правила:

• Чистый алюминий и мягкие деформируемые алюминиевые дают очень длинную стружку, что вынуждает принимать специальные корректирующие меры, например, специальные приспособления для ломки стружки.
• Высокопрочные алюминиевые сплавы (например, AlMg5, AlMgSi1,0) не представляют никаких проблем по форме стружки;
• Доэвтектические литейные алюминиевые сплавы (AlSi8Cu3, AlSi10Mg и т. п.) дают короткую стружку кольцевой и спиральной формы, которая легко удаляется.
• Эвтектические литейные алюминиевые сплавы (AlSi12) склонны образовывать длинную стружку;
• Заэвтектические литейные алюминиевые сплавы всегда образуют короткую, фрагментированную стружку, которую часто трудно удалять.

Алюминиевые сплавы с улучшенной обрабатываемостью резанием содержат низкоплавкие мягкие металлы, которые способствуют образованию короткой стружки. Обычно – это сплавы с добавками свинца или висмута.

Одним из технологических параметров, которые влияют на форму стружки, является геометрия зуба режущего инструмента. Так, при пониженном переднем угле образуются более короткая стружка в тех сплавах, для которых обычно характерна длинная стружка. Это происходит за счет сжатия стружки (рисунок 1).

Рисунок 1 – Сжатие стружки при большом и малом переднем угле зуба

Качество поверхности при механической обработке

В общем случае качество поверхности, которая образуется при механической обработке алюминия и алюминиевых сплавов, зависит от трех независимых параметров:

• Кинематическая шероховатость: теоретическая глубина шероховатости (от дна до вершины), которую рассчитывают на основе относительного движения режущего инструмента и детали.
• Шероховатость механически обработанной поверхности: характерное поведение материала при его механическом разделении, связанное с особенностями его микроструктуры;
• Внешние воздействия: такие параметры, как устойчивость системы,  состояние режущих кромок и т. п.; эти параметры особенно важны при механической обработке алюминия с большой скоростью резания.

В общем случае влияние материала на степень шероховатости поверхности детали после ее механической обработки, то есть на качество механически обработанной поверхности, зависит от тех же факторов, что и форма стружки.

В отношении деформируемых алюминиевых сплавов эта закономерность выглядит так:

• чем выше прочность и твердость алюминиевого сплава, который подвергают механической обработке, тем более гладкую поверхность можно на нем получить.

Что касается литейных алюминиевых сплавов, то на их механически обработанную поверхность определенное влияние оказывает их  микроструктура. Твердые частицы, которые внедрены в мягкую матрицу, могут вырываться с образованием грубой поверхности. Тем не менее, в целом, качество поверхности механически обработанной поверхности литейных сплавов также может считаться хорошей и часто очень хорошей.

Скорость резания

Скорость резания является важным параметром механической обработки, который оказывает влияние на качество поверхности. Обычно величина шероховатости является обратно пропорциональной скорости резания. При низких скоростях резания шероховатость поверхности очень резко возрастает из-за повышенного налипания на режущей кромке. При механической обработке алюминия области низких скоростей резания, как  правило, избегают. Налипание на режущую кромку – это явление, которое является типичным для алюминия. Оно состоит в повторяющемся налипании алюминиевых частиц на режущую кромку инструмента с последующим их срывом с кромки (рисунок 2).

Рисунок 2 – Налипание алюминия на режущую кромку при низкой скорости резания

Обрабатываемость алюминия: классификация

Группы механической обрабатываемости алюминия

С точки зрения механической обрабатываемости алюминиевые сплавы подразделяют на следующие группы (в порядке повышения трудности механической обработки):

• Группа 1: Деформируемые алюминиевые сплавы с низкой прочностью;
• Группа 2.1: Деформируемые алюминиевые сплавы повышенной прочности;
• Группа 2.2: Алюминиевые сплавы для механической обработки;
• Группа 3.1: Алюминиево-кремниевые сплавы с содержанием кремния до 10 %;
• Группа 3.2: Эвтектические алюминиево-кремниевые сплавы;
• Группа 3.3: Заэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы.

Группа 1: Деформируемые алюминиевые сплавы с низкой прочностью

1) Термически неупрочняемые сплавы в отожженном состоянии или частично нагартованном состоянии:

Примеры сплавов:

• AlMn,
• AlMg1,
• AlMgMn.

2) Термически упрочняемые сплавы в несостаренном состоянии:

Примеры сплавов:

• AlMgSi0,5,
• AlMgSi1.

Характерные свойства для механической обработки:

• мягкие,
• пластичные,
• низкая прочность,
• отсутствуют твердые включения,
• склонность к налипанию на режущей кромке.

Группа 2.1: Деформируемые сплавы повышенной прочности

1) Термически неупрочняемые сплавы в нагартованном состоянии:

Примеры сплавов:

• AlMn
• AlMg1, AlMg2, AlMg3, AlMg4, AlMg5
• AlMgMn
• AlMg4,5Mn

2) Термически обрабатываемые сплавы в состаренном и/или нагартованном состоянии:

Примеры сплавов:

• AlCuMg1
• AlZnMg1
• AlZnMgCu0,5
• AlZnMgCu1,5

Характерные свойства для механической обработки:

• прочность от 300 до 600 Н/мм2 с хорошим удлинением,
• отсутствуют твердые включения – низкий износ инструмента,
• снижение склонности к налипанию на режущую кромку с увеличением прочности.

Группа 2.2: Алюминиевые сплавы для механической обработки

Термически обрабатываемые деформируемые сплавы с добавками для ломки стружки

Примеры сплавов:

• AlMgSiPb
• AlCuBiPb
• AlCuMgPb

Характерные свойства для механической обработки:

• короткая стружка благодаря присутствию добавок Pb и Bi;
• прочность от 280 до 380 H/мм²;
• низкая склонность к налипаниям на режущей кромке.

Группа 3.1: Литейные сплавы Al-Si с содержанием кремния до 10 %

1) Сплавы AlSiCu

Примеры сплавов:

• AlSi5Cu1
• AlSi6Cu4
• AlSi8Cu3

2) Сплавы AlSiMg

Примеры сплавов:

• AlSi7Mg
• AlSi9Mg
• AlSi10Mg

Характерные свойства для механической обработки:

• прочность от 250 до 360 Н/мм²;
• повышенный износ режущего инструмента из-за твердых компонентов микроструктуры и включений;
• хорошая ломкость стружки и гладкая поверхность;
• склонность к налипанию на режущую кромку при содержании аремния более 5 %.

Группа 3.2: Литейные сплавы Al-Si с низкой твердостью

Сплавы Al-Si с содержанием кремния около 12 %

Пример сплава:

AlSi12

Характерные свойства для механической обработки:

• низкая твердость алюминиевой матрицы;
• твердые металлические компоненты микроструктуры и включения;
• высокая склонность к налипанию на режущую кромку.

Группа 3.3: Литейные сплавы Al-Si с высокой твердостью

Сплавы Al-Si с содержанием кремния свыше 12 %

Примеры сплавов:

• AlSi18CuMgNi
• AlSi21CuNiMg
• AlSi25CuMgNi
• AlSi17Cu4FeMg

Характерные свойства для механической обработки:

• средняя прочность;
• высокая твердость;
• очень низкая пластичность;
• высокий износ режущего инструмента из-за очень твердых интерметаллических частиц и первичного кремния;
• высокая склонность к налипанию на режущую кромку.

Источник: TALAT 3100

См. Режущий инструмент для алюминия