L'alumini és l'element metàl·lic més abundant a l'escorça terrestre i el metall no fèrric més utilitzat en la fabricació moderna. Apareix en productes quotidians com ara paper d'alumini i llaunes de begudes, i també en aplicacions exigents com estructures de naus espacials i components submarins. En el mecanitzat CNC, però, la peça gairebé mai és d'alumini pur: gairebé totes les peces mecanitzades es produeixen a partir d'un aliatge i tret forjat específics, escollits per un equilibri de força, resistència a la corrosió, mecanització, estabilitat dimensional i cost.
Propietats clau que influeixen en el mecanitzat
L'alumini combina una alta ductilitat i plasticitat amb baixa densitat, bona conductivitat elèctrica i tèrmica i resistència a la corrosió fiable. Quan una superfície acabada de tallar s'exposa a l'aire, es forma espontàniament una pel·lícula d'òxid fina i fortament adherida que protegeix el metall subjacent; la mateixa pel·lícula es pot espessir deliberadament mitjançant l'anodització quan es requereix una superfície més dura i resistent al desgast. Les característiques següents determinen com es comporta el material en un centre de mecanitzat.
Densitat:uns 2,70 g/cm3 per als aliatges comuns (2,70 per a 6061, 2,81 per a 7075), aproximadament un terç de l'acer al carboni.
Punt de fusió:aproximadament 660 graus C per a l'alumini pur, molt per sota dels aproximadament 1450 graus C d'acer al carboni, de manera que el servei a alta temperatura no és adequat.
Conductivitat tèrmica:uns 200 a 235 W/(mK) per als aliatges forjats, contra aproximadament 50 W/(mK) per a l'acer al carboni; la calor surt ràpidament de la zona de tall, però també flueix a l'aparell i al marc de la màquina.
Mòdul d'elasticitat:uns 69 GPa, de manera que les parets primes i les eines primes es desvien fàcilment i es beneficien de les nervadures o de l'acoblament radial reduït.
Expansió tèrmica:uns 23 x 10-6 per K, aproximadament el doble que l'acer, cosa que fa que el control de la temperatura sigui essencial sempre que les toleràncies siguin ajustades.
Reciclabilitat:La fosa d'alumini reciclat estalvia fins a un 95 per cent de l'energia necessària per produir metall primari.
Les mateixes característiques defineixen els límits del material. L'alumini és més tou que l'acer i no és la primera opció per a peces que han de sobreviure a un impacte fort o a càrregues extremes. La seva alta expansió tèrmica i el seu baix punt de fusió fan que l'excés de calor de tall produeixi distorsió i dificulti la conservació de toleràncies estretes, mentre que la seva baixa rigidesa fomenta la xerrada quan les seccions no suportades es mecanitzen de manera agressiva.
La sèrie de vuit aliatges forjats
L'alumini forjat es divideix en vuit sèries segons l'element d'aliatge principal. Cada sèrie comporta un conjunt característic de propietats, i l'elecció de la sèrie sol decidir més sobre una peça mecanitzada que qualsevol altra decisió individual.
| Sèrie | Element d'aliatge principal | Graus típiques | Comportament en el mecanitzat |
|---|---|---|---|
| 1000 | Cap, puresa del 99,00 per cent o superior | 1050, 1060, 1100 | Més suau i més dúctil; millor conductivitat; xips gomosos i mal trencament d'encenalls |
| 2000 | Coure, entre un 3 i un 5 per cent | 2024, 2A16 | Alta resistència i duresa; les variants de tall lliure contenen plom i bismut; resistència a la corrosió limitada |
| 3000 | Manganès, entre 1,0 i 1,5 per cent | 3003, 3004, 3A21 | Bona treballabilitat i resistència a l'òxid; no tractable tèrmicament |
| 4000 | Silici, normalment del 4,5 al 6,0 per cent | 4A01, 4043, 4047 | Baix punt de fusió; utilitzat per a filferro de farciment, revestiment i peces resistents al desgast |
| 5000 | Magnesi | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Només treball enduriment; 5052 conté al voltant del 2,2 al 2,8 per cent de Mg i el 5083 al voltant del 4,0 al 4,9 per cent de Mg; fort, dur i de fàcil formació |
| 6000 | Magnesi i silici | 6061, 6063, 6082 | L'opció predeterminada per als components mecanitzats; endurible per precipitació amb un bon acabat superficial |
| 7000 | Zinc, amb coure i magnesi | 7075, 7050 | Màxima resistència després de l'enduriment per precipitació; ús aeroespacial; menor resistència a la corrosió |
| 8000 | Altres elements com el ferro i el liti | 8011, 8176 | Captura totes les sèries; 8176 conté aproximadament un 0,6 per cent de Fe i un 0,1 per cent de Si i s'utilitza per al cable conductor |
Els aliatges de les sèries 3000, 4000 i 5000 no es poden reforçar amb tractament tèrmic: només guanyen força mitjançant la reducció en fred, és a dir, l'enduriment per treball. La sèrie 1000 és la més barata i conductora, les sèries 2000 i 7000 ofereixen la màxima resistència, i la sèrie 6000 ofereix el millor compromís entre resistència, resistència a la corrosió, soldabilitat i comportament de mecanitzat.
Denominacions de tremp i tractament tèrmic
La designació de temperament segueix el número d'aliatge i descriu l'estat metal·lúrgic de l'estoc. Per a les peces mecanitzades, els tremps especificats amb més freqüència són O per a material recuit, H per a tremps endurits per deformació com H14, H22 i H24, i T per a tremps tractats tèrmicament. El grup T es divideix encara més: T4 cobreix el tractament tèrmic en solució seguit d'envelliment natural, T5 cobreix el refredament a partir d'un procés de conformació a temperatura elevada seguit d'envelliment artificial i T6 cobreix el tractament tèrmic en solució seguit d'envelliment artificial. 6061-T6 i 7075-T6 són els dos tremps citats amb més freqüència per als components de precisió.
El tractament tèrmic no és un paràmetre de mecanitzat, però canvia gairebé tots els paràmetres de mecanitzat. El tractament amb solució seguit d'un envelliment artificial augmenta la resistència i la duresa, altera la formació d'encenalls i les forces de tall i augmenta el risc de distorsió. Quan es produeix una peça a partir d'estoc T6, es recomanen passades d'acabat lleugeres i barra d'alleujament de tensió, de manera que les tensions residuals alliberades per l'eliminació de material no treuen la peça fora de tolerància després d'obrir l'aparell.
Selecció d'un aliatge per a una peça mecanitzada específica
Parts estructurals d'ús general:6061-T6 ofereix una bona resistència, una excel·lent resistència a la corrosió, soldabilitat i un aspecte anoditzat net.
Màxima resistència en seccions primes:El 7075-T6 ofereix la resistència més alta dels graus comuns, amb el 7050 preferit on les seccions pesades s'han d'apagar sense una distorsió excessiva.
Mecanitzat de cargols d'alt volum:Els graus de tall lliure 2011 i 2024 trenquen les estelles netament i toleren altes velocitats d'alimentació, a costa de la resistència a la corrosió.
Maquinari elèctric i tèrmic:1050, 1060 i 1100 exploten la major conductivitat i el menor cost de matèria primera.
Aplicacions marines i de pressió:5052 i 5083 resisteixen l'atac d'aigua salada i es prefereixen allà on la resistència a la corrosió supera la força.
Extrusions i carcasses arquitectòniques:6063 proporciona una superfície d'anodització llisa amb una resistència moderada.
Pràctica de mecanitzat i control de processos
L'alumini es talla a velocitats superficials altes, sovint de 200 a 600 m/min amb eines de carbur en 6061-T6, utilitzant estris polides, angles generosos de rastell i refrigerant d'inundació o boira d'aire a alta pressió. Els principals riscos són l'acumulació de la vora en els temperaments més suaus, l'embalatge d'encenalls a les butxaques profundes i la distorsió tèrmica a les parets primes. Les eines afilades, de carbur sense recobrir o de diamant polit, el fresat per pujada amb un enganx radial lleuger i les longituds de flautes curtes milloren l'estabilitat.
Les toleràncies generals de més o menys 0,05 mm es poden aconseguir en peces de mida mitjana, i més o menys 0,01 mm és realista quan la geometria és rígida i tèrmicament estable. Els acabats superficials des de Ra 3,2 micròmetres fins a Ra 0,8 micròmetres són habituals, i les operacions posteriors habituals són l'anodització, el recobriment de conversió de cromat o el marcatge làser. Quan un dibuix invoca un sistema de tolerància general, es fa referència per regla general a la ISO 2768 de la classe m o f, i la verificació mecànica de la peça acabada segueix normalment ASTM E8/E8M per a les proves de tensió o ASTM E384 per a la duresa de la microindentació.
Preguntes freqüents
P: Quin aliatge d'alumini és millor per a peces mecanitzades CNC?
6061-T6 s'adapta a la majoria de components perquè equilibra la força, la resistència a la corrosió, la soldabilitat i el cost. Especifiqueu 7075-T6 només quan una resistència més alta justifiqui un preu més alt i una resistència a la corrosió reduïda, i 5083 o 5052 on l'exposició a l'aigua salada domina el disseny.
P: Els aliatges d'alumini es poden tractar tèrmicament després del mecanitzat?
Només els aliatges d'enduriment per precipitació de les sèries 2000, 6000 i 7000 responen al tractament tèrmic. Els aliatges de les sèries 1000, 3000, 4000 i 5000 es reforcen amb el treball en fred, de manera que qualsevol tractament tèrmic només els suavitzarà.
P: Per què l'alumini es distorsiona durant el mecanitzat?
Es combinen tres efectes: el baix punt de fusió limita la calor que el material pot absorbir, el coeficient d'expansió tèrmica és al voltant del doble que l'acer i les tensions residuals bloquejades en material laminat o extruït s'alliberen a mesura que s'elimina el material. L'estoc alleujat, l'eliminació simètrica de material i el refrigerant generós redueixen el problema.
P: Com afecta el temperament a la mecanització?
Els tremps més suaus com l'O i l'H14 formen fitxes gomoses llargues que s'acumulen a la vora de tall, mentre que les trempades T6 i T651 produeixen encenalls curts i ben trencats i permeten velocitats de tall més altes amb un millor acabat superficial en peces rígides.
P: Quines toleràncies són realistes per a les peces mecanitzades d'alumini?
Una tolerància general de més o menys 0,05 mm és normal, més o menys 0,02 mm s'aconsegueix amb el control de la temperatura, i més o menys 0,01 mm requereix una fixació estable, eines igualades i inspecció en un entorn controlat.
P: Com s'han de protegir les peces d'alumini després del mecanitzat?
L'anodització crea una capa d'òxid dura per al desgast i l'aspecte, el recobriment de conversió de cromat manté la conductivitat alhora que afegeix protecció contra la corrosió i un embalatge segellat senzill amb protecció en fase de vapor és suficient per a peces que es pintaran o muntaran ràpidament.
