Frezowanie aluminium - przy pomocy skrawarek i maszyn CNC

Aluminium jest jednym z najpopularniejszych stopów poddawanych obróbce skrawaniem, a w szczególności: frezowaniu. Jest lekkie, naturalnie odporne na korozję i wytrzymałe; charakteryzuje się dobrym przewodnictwem cieplnym, a do tego jest podatne na obróbkę chemiczną i elektrochemiczną (np. anodowanie).

Sprawia to, że bloki aluminium stają się bazą do powstania wielu rodzajów elementów dla szerokiego przekroju branż – od wyposażenia domu, przez przemysł motoryzacyjny, aż do lotniczego i… kosmicznego.

Z kolei samo frezowanie aluminium – jako proces obróbki – stało się powszechnie stosowaną metodą produkcji elementów ze stopów glinu.

Frezowanie aluminium - dlaczego ten metal jest tak dobrze skrawalny?

Aluminium to zbiorcze określenie różnego rodzaju stopów glinu (Al w tablicy Mendelejewa), jak i czystego metalu (w wyniku rafinacji można uzyskać czystość nawet powyżej 99,9%). Szeroka gama stopów aluminium pozwala na dobór odpowiedniego materiału do różnych zastosowań.

Wśród najczęstszych dodatków do stopów aluminium warto wymienić:

• krzem (Si), 
• magnez (Mg), 
• cynk (Zn), 
• miedź (Cu) 
• mangan (Mn). 

To właśnie one nadają stopowi dodatkowych właściwości (o rodzajach stopów i ich podatności na frezowanie w dalszej części tekstu). Tak szeroka gama „rodzajów aluminium” sprawia, że jest ono niemal idealnym metalem, podatnym na niemal każdy rodzaj obróbki skrawaniem. 

W zależności od stopu, może być ono wykorzystywane do produkcji przedmiotów mających kontakt z żywnością, frezowania elementów aluminiowych łatwych do spawania, czy też skrawania lekkich, twardych i odpornych na czynniki zewnętrzne części wirników samolotów lub turbosprężarek. Dodatkowo, samo aluminium jest podatne na skrawanie, a zarazem stosunkowo łatwe w obróbce (odpowiednimi narzędziami) i utwardzaniu powierzchniowym (np. anodowaniu).

Skrawanie różnego rodzaju stopów aluminium - czym się różni?

Istotnym elementem frezowania aluminium jest parametr skrawalności konkretnego stopu. Jest to składowa wielu wskaźników, wśród których należy wymienić: 

• wskaźnik gładkościowy – który dotyczy chropowatości powierzchni obrabianego stopu, 
• wskaźnik twałościowy – odnoszący się do prędkości frezowania, a do którego zalicza się między innymi: 
• intensywność zużywania ostrza (czyli jak długo konkretny frez zachowuje swoje parametry, obrabiając konkretny materiał), 
• względny wskaźnik skrawalności (czyli to, jak szybko przeprowadzany jest proces frezowania w odniesieniu do zaleceń dla konkretnego materiału i frezu), 
• trwałość ostrza narzędzia (określana też niekiedy jako „T”). 

Wśród wskaźników pomocniczych, które przekładają się na realną skrawalność konkretnego rodzaju stopu glinu, warto wymienić: 

• skład chemiczny frezowanego aluminium (czyli: rodzaj stopu), 
• temperaturę skrawania, 
• szeroko pojętą skrawalność materiału (określaną jako kc1), 
• odporność na rozciąganie (Rm)
• strukturę metalograficzną, 
• rodzaj i kształt wiórów uzyskiwanych przy obróbce (zaleca się, żeby grubość nie przekraczała 0,2 mm, a zarazem była większa niż 0,1 mm), 
• właściwości mechaniczne i cieplne stopu, 
• twardość. 

Tych składowych jest wiele, jednak doświadczony operator jest w stanie szybko określić parametry obróbki konkretnego materiału i ustawić odpowiednio pracę frezarki.

Rodzaje stopów aluminium i ich skrawalność

Skoro mowa o materiale – istnieje wiele klasyfikacji stopów aluminium. Są one regulowane i jako punkt odniesienia do poniższej listy przyjmujemy normę PN-EN 573-3:2019-12. 

Zakłada ona podział stopów glinu na osiem serii, oznaczanych czterema cyframi i odnoszącymi się do składu chemicznego (a co za tym idzie: ogólnych właściwości) stopów. Jest to istotna informacja zarówno dla zamawiającego, jak i operatora urządzeń skrawających. Zatem, według wspomnianej normy, wyróżniamy następujące serie stopów aluminium: 

• seria 1xxx – jest to w praktyce czyste aluminium. Jest ono bardzo miękkie i podatne na rozciąganie. Wyróżnia je bardzo wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne, dlatego jest wykorzystywane zarówno w starszych instalacjach elektrycznych, jak i w różnego rodzaju radiatorach i konstrukcjach chłodzących. Bardzo rzadko wykorzystywane przy skrawaniu, 
• seria 2xxx – stop aluminium z dodatkiem miedzi (Cu). Jest on twardszy niż seria 1xxx, jednak ma zauważalnie niższą odporność na korozję. Wśród stopów z tej serii warto wymienić aluminium PA7 (2024), często wykorzystywane w wyposażeniu samolotów,
• seria 3xxx – stop aluminium z dodatkiem manganu (Mn). Są one stosunkowo miękkie, dzięki czemu są często wybierane do obróbki plastycznej, a zarazem zachowują swoje właściwości również w wyższych temperaturach (w przeciwieństwie do serii 1xxx). Są bardzo dobrze spawalne i mogą mieć kontakt z żywnością, 
• seria 4xxx – czyli stop z dodatkiem krzemu (Si). Ma wysoką wytrzymałość oraz odporność na korozję. Co więcej – stopy krzemowe aluminium (oznaczane polską normą PN-76/H-88027 jako AK7 czy AK9) mogą mieć kontakt z żywnością, 
• seria 5xxx – czyli stopy z dodatkiem magnezu (Mg). Charakteryzują się jeszcze wyższą odpornością na korozję i dobrą formowalnością. Jako przykład tej grupy warto wymienić aluminium PA43. Ten stop charakteryzuje się wysoką sprawnością oraz odpornością na słoną wodę, dzięki czemu jest często wykorzystywany w przemyśle morskim. Ze względu na wysoką rozciągliwość – jest często wykorzystywany do produkcji blachy aluminiowej, 
• seria 6xxx – stopy z dodatkami magnetu i krzemu (Mg + Si). Poza wyższą odpornością na korozję, charakteryzują się dobrą plastycznością i dosyć wysoką wytrzymałością mechaniczną. Jest to stop często stosowany w częściach rowerowych (np. elementach ram), na przykład jako aluminium PA45 (6061). Charakteryzuje się dosyć wysoką wytrzymałością i skrawalnością, jak i przewodnictwem cieplnym (jednym z najwyższych wśród stopów glinu), 
• seria 7xxx – stopy z dodatkiem cynku (Zn) i magnezu (Mg). Wyróżniają się bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz wyjątkowo dobrą skrawalnością. Jest to stop wybierany do wytwarzania elementów konstrukcyjnych. Popularne jest aluminium 7075 / PA9, stosowane powszechnie w przemyśle i wyróżniające się znakomitą skrawalnością, jak i autorskie stopy, takie jak HOKOTOL® czy ALUMOLD®, o jeszcze wyższej twardości. Wadą stopów z tej serii jest zauważalnie wyższa podatność na korozję, 
• seria 8xxx – czyli zbiorcza seria dla stopów, które nie mieszczą się w powyższej klasyfikacji.

Kluczowe informacje związane z procesem frezowania aluminium (CNC i klasycznego)

Chociaż klasyczne frezowanie jest wciąż popularną formą obróbki, to obecnie na rynku dominuje obróbka CNC aluminium.  Automatyzacja procesu pozwala na przyspieszenie produkcji elementów, jak i zachowanie niższej tolerancji, bez konieczności poświęcania czasu na kontrolę jakości każdego z ręcznie wykonanych elementów. 

Różne rodzaje aluminium charakteryzuje inna twardość i rodzaj wiór powstających w wyniku frezowania, co przekłada się na skrawalność obrabianego stopu. Dlatego wykonując frezowanie aluminium (rozumiane jako klasyczne skrawanie, jak i obróbka CNC) należy zwracać uwagę na odpowiednie ustawienie parametrów pracy (odpowiedni frez, prędkość obrotowa wrzeciona czy szybkość posuwu). 

Chociaż w przypadku klasycznej obróbki skrawaniem (również za pomocą ręcznych narzędzi) miękkość aluminium jest zaletą, to w przypadku obróbki wysokoobrotowymi wrzecionami – staje się ona wadą. Między innymi dlatego do frezowania najlepiej sprawdzają się stopy aluminium o wysokiej twardości. Pozwala to na efektywniejsze odprowadzanie wiórów, a co za tym idzie – zmniejszenie ryzyka uszkodzenia frezarki. Dlatego czysty glin, podobnie jak inne miękkie stopy, jest rzadko wybierany do obróbki frezarkami (nie można go obrabiać przy użyciu dużych prędkości obrotowych, a produkowane wióry są długie).

Istotnym parametrem przy obróbce jest temperatura frezowania – mimo wysokiego przewodnictwa cieplnego, stopy glinu charakteryzuje wyższa rozszerzalność (np. dwukrotnie wyższa niż w przypadku stopów żelaza). Może to powodować zwiększenie tolerancji obrabianego elementu (co przeczy idei powtarzalności procesu frezowania numerycznego aluminium), dlatego tak istotna przy tej formie obróbki jest dbałość o odprowadzanie ciepła. 

Stosowanie chłodzenia (suchego lub mokrego) pozwala uzyskać wyższą dokładność formowania obrabianego materiału (istotną przy frezowaniu CNC aluminium), jak i zmniejszenie ryzyka uszkodzenia elementu obrabianego, frezu czy nawet wrzeciona. Wspomniane wysokie prędkości obrotowe oraz wysoka stabilność frezu są istotne z perspektywy wytwórcy – pozwalają zmniejszyć pojawienie się narostu na ostrzach frezu, który wpływa negatywnie na skuteczność późniejszej obróbki materiału. 

Sam wybór frezu (o konkretnej liczbie powierzchni tnących, twardości, itp.) jest również uzależniony od twardości i ogólnej skrawalności stopu. W przypadku miękkiego aluminium, o niskiej skrawalności, zaleca się używanie frezów jednoostrzowych i stosunkowo niskich prędkości obrotowych wrzeciona (do ok. 400 RPM). Z kolei twarde, wysokoskrawalne stopy aluminium (np. PA6 lub PA9) wymagają bardzo stabilnych frezów trójostrzowych.

Każdy z tych parametrów frezowania aluminium jest jednak łatwy do opanowania przez doświadczonego operatora frezarki. Dlatego warto zlecić proces frezowania stopów glinu i produkcji elementów z tego metalu profesjonalistom – zespół doświadczonych operatorów CNC RADMOT dobierze właściwy proces produkcji elementów frezowanych z aluminium.

Dalsza obróbka frezowanych elementów ze stopów glinu

Proces obróbki aluminium skrawaniem często kończy się na wyfrezowaniu elementu o oczekiwanym kształcie. Podobnie jak w przypadku obróbki stali, część aluminiowa może być poddawana dalszym procesom, które mają na celu poprawę jej właściwości fizycznych lub zwiększenie twardości. 

Wśród tych procesów wyróżnia się: 

• anodowanie, czyli wytwarzanie na powierzchni elementu warstwy tlenku glinu, który podwyższa odporność na korozję. Dodatkowo może zapewniać walory estetyczne przez uzyskanie koloru na powierzchni, wtopionego w strukturę aluminium, 
• hartowanie, czyli poprawienie właściwości fizycznych aluminium, a w szczególności twardości, przez rozgrzewanie i wychładzanie, 
• polerowanie aluminium, czyli wygładzanie elementu. Powierzchnie obrobione w procesie frezowania aluminium (CNC czy tradycyjnego) mogą mieć ślady kolejnych przejść frezu. Dlatego jednym z ostatnich etapów obróbki elementów z glinu jest ich polerowanie (co ważne: powinno ono być wykonane przez pokryciem powierzchni elementu powłoką, np. w procesie anodowania),
• znakowanie laserowe lub grawerowanie – powierzchnia obrabianego elementu aluminiowego może być oznakowana za pomocą tych procesów.

Frezowanie aluminium - zapraszamy do kontaktu

W RADMOT wykonujemy szeroką gamę usług związanych z obróbką metali. Nasz park maszynowy pozwala na realizację usług związanych z obróbką numeryczną: frezowanie CNC, usługi toczenia CNC jak i wiele usług dodatkowych w tym mycie, anodowanie aluminium, znakowanie laserowe oraz montaż.

Skontaktuj się z nami i powiedz, czego potrzebujesz. Usługi CNC świadczymy od niemal 40 lat. Nasza wycena jest zupełnie darmowa. A jeśli masz wątpliwości, jaka technologia sprawdzi się najlepiej u Ciebie, jesteśmy w stanie doradzić ci i szybko określić cenę obróbki zamawianych elementów – nasza fachowa wiedza jest do Twojej dyspozycji.