Инструменти за механична обработка на алуминий

Инструменти, материалиСп. Инженеринг ревю - брой 4/2021 • 24.06.2021

  • Експертите в никакъв случай не препоръчват използването на универсални инструменти за рязане на стомана при обработката на алуминий

  • Типичните конструкции твърдосплавни палцови цилиндрични фрези разполагат с три канала, което осигурява оптимален баланс между здравина на инструмента и безпроблемно стружкоотделяне

  • В общия случай при механичната обработка на алуминий инструменталната екипировка без покритие е по-добро решение

Алуминият е един от най-податливите на механична обработка метали и позволява бързо и ефективно производство на метални изделия за различни индустрии. Сред предизвикателствата при избора на оптимална обработваща стратегия и съответната инструментална екипировка е постигането на максимални темпове на отнемане на материал без компромис с качеството и структурните характеристики на обработвания детайл. Въпреки привидно лесната задача са налице множество рискове за влошаване на ефективността и допускане на брак. При наличие на твърде много топлина в процеса е възможно алуминият да се разтопи и да се спои с обработващия инструмент, което би наложило прекъсване за ремонт на инструмента и преправяне на изделието.

Важно е да се отбележи, че не всички класове алуминий се характеризират с еднаква обработваемост. При някои механичната обработка може да се извършва безпроблемно достатъчно продължителен период за завършване на производствения цикъл, при други материалът се оказва твърде мек, а в резултат са налице задръстени и счупени инструменти. На практика успехът се свежда до избиране на правилна конфигурация от инструментално решение и работни параметри. Важен е предварителният анализ на материалните характеристики, спецификите на проектираните готови изделия и наличните възможности по отношение на обработващи методи и инструменти.

Добре е да се отчетат предимствата и недостатъците на летия и кован алуминий за различни приложения и отрасли. По принцип летите материали са по-меки и пластични и изискват изключителна острота на обработващите инструменти, както и повече внимание при обработка. Основните проблеми, с които производителите на алуминиеви изделия се срещат, са управлението на триенето и топлината.

 

Налични възможности

Експертите в никакъв случай не препоръчват използването на универсални инструменти за рязане на стомана при обработката на алуминий. Съществено значение върху крайния резултат оказват материалът, от който е изработена инструменталната екипировка, покритието, геометрията и каналите на режещия нож.

Твърдосплавните пластини се доказват като по-рентабилно решение в сравнение с бързорезните стомани, както по отношение на общата стойност на инструментите в рамките на жизнения цикъл на оборудването, така и по линия на качеството на повърхностите. Това е в сила дори при конвенционални, неспецифични приложения.

Важно е обаче да се направят някои предварителни уточнения, за да бъде успешен изборът на твърдосплавен инструмент. Алуминият по своята същност е мек метал, което означава, че режещата система не е подложена на големи ударни сили по време на обработка. От критично значение е поддържането на остър режещ ръб. Ето защо твърдостта на пластината е с приоритет пред нейната издръжливост, що се отнася до материалните характеристики. Два основни фактора оказват влияние върху тези параметри в практиката – едрината на частиците на материала и съдържанието на свързващ агент (binder ratio). По-едрозърнестите карбиди спомагат за по-голяма твърдост на материала, а по-дребнозърнестите – за по-висока удароустойчивост и издръжливост при рязане. В конкретния случай с механичната обработка на алуминий по-дългото поддържане на остротата на режещия ръб се постига с по-малък размер на карбидните частици.

Другият фактор зависи от свързващия агент между частиците, който при карбидните инструменти обикновено е кобалт. Съдържанието на този материал в общия обем на инструмента е между 2 и 20%. Тъй като кобалтът е по-мек от карбидните зърна, повече свързващ агент означава по-висока издръжливост, а по-малко – по-голяма твърдост. Така в резюме оптималният вариант за обработка на алуминиеви заготовки би бил твърдосплавен нож с едрозърнеста структура и ниско съдържание на кобалт.

Типичните конструкции твърдосплавни палцови цилиндрични фрези разполагат с три канала, което осигурява оптимален баланс между здравина на инструмента и безпроблемно стружкоотделяне. Фреза с два канала също е потенциално решение за сценарии, в които са налице по-малки режещи сили, а оптималното отвеждане на стружките е приоритет. С такова решение се намалява големината на режещите сили при по-леки, но по-рискови обработки. Приложение, в което такава конфигурация би имала смисъл, е рязането с твърде дълъг инструмент, податлив на вибрации. Все пак триканалният дизайн се е доказал като стандартен в металообработката.

При по-големи инструменти, например дорникови фрези, броят на каналите зависи от диаметъра на пластината. Ключово е осигуряването на достатъчно пространство за стружкоотвеждане без риск от задръстване на инструмента, особено при високи скорости на подаване.

Ъгълът на наклона на винтовата линия (helix angle) е друг фактор за установяване на оптимален баланс при обработка. По-малък ъгъл ще спомогне за по-малко количество генерирана топлина, тъй като общата продължителност на рязането ще е по-малка. По-голям ъгъл обаче би осигурил по-плавно рязане и по-добро качество на повърхностите, с допускане на повече отпадна топлина – когато приложението го позволява.

Ако инструментът се нагрее прекалено, е налице риск алуминият да се разтопи и да се завари за него. Този негативен феномен се случва за части от секундата, а в резултат може да се получи сериозна авария. Така за груба обработка експертите препоръчват по-малък ъгъл на наклон от порядъка на 35 градуса, който способства за поддържане на инструмента хладен. В такива приложения реално високото финишно качество не е приоритет. При повърхностна обработка обаче ще бъде необходим малко по-голям ъгъл, например 45°. Така ще се генерира повече топлина, но при леки довършителни операции с високи темпове на подаване тя няма да се окаже проблем. Плавността на рязане обаче ще осигури необходимото повърхностно качество. Ъгъл от 40° пък би бил сравнително универсален, нискорисков компромисен вариант, подходящ както за груба, така и за финишна обработка.

 

Допълнителни съображения

Специалистите посочват полираните инструменти като добро решение за обработката на алуминий. Полираните канали на режещата пластина позволяват гладко съприкосновение с метала. Малкото триене прави възможен по-дълъг живот на инструмента, а това създава условия за по-високи скорости на обработка, особено полезно при интензивно фрезоване на алуминий.

От съществено значение е също дали да бъде избран инструмент с покритие или такъв без. Пазарът предлага изключително широк набор от специализирани и по-универсални покрития. В общия случай при механичната обработка на алуминий инструменталната екипировка без покритие е по-добро решение, тъй като повечето специални покрития реално няма да донесат особена полза, а стандартните решения е по-вероятно да влошат рязането.

Покритията от ZrN все пак осигуряват ниски нива на триене, което може да улесни стружкоотдвеждането и да поддържа работната зона хладна. TiB2 покритията са друго работещо решение, тъй като имат ниско сцепление с алуминия и осигуряват плавно плъзгане на повърхностите една върху друга.

В производствени приложения темповете на подаване традиционно се изчисляват с поне 1% от диаметъра на режещия инструмент на зъб. Това означава, че при палцова цилиндрична фреза с диаметър 10 mm темпът на подаване трябва да бъде поне 0,1 mm на зъб. При къси инструменти и стабилна установка, разбира се, е възможно удвояване на тези препоръчителни стойности. Дори при струговане са необходими високи темпове на подаване с цел ефективно стружкочупене без задръстване.

В обобщение, алуминият може да бъде обработван при сравнително високи скорости, стига инструменталната екипировка да е способна да ги издържи. При над 10 хил. об/мин е необходимо подходящо балансиране. Подходящата настройка се прави съгласно рейтингите за баланс, които са упоменати от производителя.

 

Стратегии за обработка

В повечето приложения, които включват фрезоване на алуминий, по-агресивната обработка способства за добри темпове на отнемане на материал. Повърхностното фрезоване с малко отнемане (peel milling) в общия случай се оказва загуба на време, освен когато се работи с малки режещи инструменти със съставни геометрии.

Челното фрезоване на алуминий, особено при използването на дорникова фреза, изисква агресивен ъгъл на заход и полирани канали. С такава конфигурация се постига добро качество на повърхностите и при високи скорости на рязане.

При прорязването на кухини (pocketing) основно правило е да се използва инструмент с работен диаметър, който е малко по-малък от този на обработваната кухина.

Цилиндрична фреза с диаметър 10 mm например е подходящ вариант за обработка на кухини с диаметър 5 mm, но ъглите на кухините типично са зони, в които се появяват вибрации и чукащи звуци. При високи скорости инструментът не променя веднага посоката си на движение, което означава, че част от силата на рязане ще бъде отнета, което е и причина за гореспоменатите характерни звуци.

За прорязването на дълбоки канали са популярни две решения – трохоидално фрезоване, за да се намалят деформацията на фрезата и характерният звук, или палцова цилиндрична фреза със скъсени канали.

При пробиването на алуминиеви детайли е силно препоръчително да се използват добре заточени, безкомпромисно остри свредла. Твърдосплавните модели невинаги са най-подходящият вариант, тъй като са скъпи, а обикновено не са налице висока скорост на въртене на шпиндела или големи производствени обеми, които да обосноват финансово закупуването им.

Нарязването на резби в алуминий обикновено може да бъде извършвано ефективно с универсални инструменти. Специализираните решения за алуминий все пак се доказват като по-надеждни в практиката. Те позволяват по-агресивен ъгъл на заход в материала, по-чисто рязане и по-малко генерирана топлина.

Златно правило при обработката на алуминиеви детайли е да не се прилага сухо рязане. При него твърде често ще е налице разтопен алуминий, който ще се натрупва по ръба на режещия инструмент, правейки обработката прекалено рискова.

Ако трябва да обобщим основните съображения, които да бъдат взети предвид при избора на подходящо инструментално решение за рязане на алуминий, на първо място е добре да бъдат отчетени параметрите на рязане – стъпките на обработка, темповете и скоростта на подаване, траекторията на инструмента. Освен тях от водещо значение са геометрията на инструмента, ъгълът на наклон, едрината на зърнестата структура на карбида и броят канали, както и техният дизайн. Не на последно място са смазочно-охлаждащите течности и покритията на инструментите.

Top