W trakcie toczenia, w niektórych przypadkach nawet 90% masy materiału obrabianego zostaje zamienione w wióry. Aby taka obróbka była opłacalna, musi być przeprowadzona z odpowiednią efektywnością, wpływającą na koszt wytwarzania. Jednym z czynników decydującym o przebiegu toczenia jest rodzaj materiału obrabianego. Obecnie, ze względu na wzrost zastosowania stopów aluminium w praktycznie każdej gałęzi przemysłu, coraz więcej zaprojektowanych części z takich stopów poddawanych jest obróbce mechanicznej.
Na co więc zwrócić uwagę przy doborze odpowiedniego stopu aluminium, tak aby obróbka mechaniczna jaką jest toczenie przebiegała w należyty sposób? W poniższym artykule znajdą Państwo odpowiedź na pytanie jakie wybrać aluminium do toczenia.
Stopy aluminium
Aluminium jest metalem o bardzo dużym znaczeniu technicznym. Jest trzecim pierwiastkiem – po tlenie i krzemie – pod względem udziału procentowego w skorupie ziemskiej oraz drugim najczęściej stosowanym – po żelazie – metalem. Zastosowanie aluminium, a przede wszystkim jego stopów ciągle rośnie, szczególnie w branży lotniczej i samochodowej.
Dzięki wykonaniu niektórych części, na przykład wchodzących w budowę pojazdu, można zredukować jego wagę, co pozwala jednocześnie zmniejszyć spalanie. Każde redukcja wagi pojazdu o 100kg pozwala zmniejszyć jego spalanie średnio o 0,5l/100km. To samo dotyczy konstrukcji samolotów. Aluminium jest bowiem materiałem znacznie lżejszym od stali.
Dodanie poszczególnych pierwiastków tworzy stop aluminium. Pozwala to zwiększyć nawet kilkakrotnie własności wytrzymałościowe powstałego stopu w porównaniu do jego czystej odmiany. Także obróbka cieplna zwiększa wytrzymałość stopów, których obecnie jest ponad 10 000 gatunków i które różnią się znacznie właściwościami fizycznymi oraz mechanicznymi.
W innym artykule przedstawiamy rodzaje aluminium.
Aluminium i jego stopy są stosowane jako:
– czyste aluminium – o zawartości Al od 99% do 99,99%,
– stopy do przeróbki plastycznej – o zawartości do ok. 5% pierwiastków stopowych,
– stopy odlewnicze – są to stopy przeważnie wieloskładnikowe o zawartości pierwiastków stopowych od 5% do 25%.
Niektóre ze stopów aluminium mogą być stosowane jako odlewnicze oraz jako przeznaczone do przeróbki plastycznej.
Stopy do przeróbki plastycznej dzieli się dodatkowo na:
– nieobrabiane cieplnie (w stanie umocnienia zgniotem),
– obrabiane cieplnie, (poprzez utwardzanie wydzieleniowe).
Podczas projektowania procesu toczenia od strony technologicznej należy zapoznać się ze skrawalnością materiału, czyli jego podatnością na obróbkę. Szczegółowy opis dotyczący m.in. skrawalności i jej wskaźników, a także gdzie podawane są informacje odnośnie skrawalności materiałów znajdą Państwo w naszym oddzielnym artykule nt. „Jakie aluminium do frezowania”. (hiperłącze)
Toczenie aluminium
Aluminium (od 99% zawartości Al) oraz niektóre stopy aluminium do przeróbki plastycznej, tzn. te zawierające bardzo małą ilość dodatkowych pierwiastków stopowych, nie nadają się do toczenia ze względu na swoje właściwości mechaniczne.Czyste aluminium bez dodatków ma wytrzymałość na rozciąganie rzędu 45N/mm2, podczas gdy wytrzymałość poszczególnych gatunków stopów aluminium może wynosić nawet 570N/mm2. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660,4°C i jest zwyczajnie zbyt niska, aby można było taki materiał swobodnie toczy. Nawet przed osiągnięciem podanej temperatury, za sprawą wysokich prędkości skrawania, odkształcenia w materiale mogą pojawić się już znacznie wcześniej.
Aluminium oraz niektóre jego stopy do obróbki plastycznej (do 5%) mają tendencję do „rozcierania się” w trakcie toczenie, a także powodują powstawanie długich wiórów, co jest zjawiskiem niekorzystnym podczas skrawania.
Aluminium w czystej postaci jest najczęściej stosowane na przewody elektryczne, urządzenia przemysłu spożywczego, wymienniki ciepła, opakowania artykułów spożywczych itd. Znaczenie lepsze pod względem skrawalności są stopy odlewnicze aluminium, z zawartością od 5% do 25% pierwiastków stopowych.
Skrawalność danego stopu aluminium można także polepszyć za pomocą dalszych metod obróbki takich jak formowanie na zimno czy utwardzanie wydzieleniowe.
Formatka aluminium PA6 10X200X200
Jakie stopy aluminium do przeróbki plastycznej nadają się do toczenia?
W trakcie toczenia występują wyższe prędkości i mniejsze siły skrawania niż w przypadku toczenia na przykład stali. Można powiedzieć, że im wyższa wytrzymałość stopu aluminium, tym lepsze zachowanie podczas toczenia.
To jak dobrą skrawalność posiada dany stop aluminium zależy od:
– rodzaju użytych pierwiastków stopowych,
– procentowej zawartości pierwiastków stopowych,
– zastosowania obróbki cieplnej (utwardzanie wydzieleniowe)
– zastosowania obróbki plastycznej na zimno (umocnienie zgniotem)
Jak już wspomniano w tym artykule stopy aluminium dzielą się ze względu na sposób wytwarzania, tzn. do przeróbki plastycznej i odlewnicze. Natomiast oba rodzaje stopów klasyfikuje się na poszczególne grupy, które dotyczą podziału stopów według zawartości pierwiastków stopowych. Na przykład do grupy 1 zalicza się komercyjne czyste aluminium (pow.99%), natomiast grupa 2 dotyczy stopów Al z Cu, gdzie Cu jest najliczniejszym po aluminium pierwiastkiem stopowym w stopie oraz Al ze stosunkowo podobną procentową zawartością Cu i Mg.
Grupy stopów aluminium do przeróbki plastycznej przedstawiają się następująco:
– Grupa 1 – czyste Al (pow.99%)
– Grupa 2 – Al z Cu oraz Al z Cu i Mg
– Grupa 3 – AlMn
– Grupa 4 – AlSi
– Grupa 5 – AlMg
– Grupa 6 – AlMgSi
– Grupa 7 – AlZn
– Grupa 8 – Al + inne pierwiastki stopowe, np. AlFe oraz AlLi
Sposób oznaczenia gatunków aluminium podany jest w normach PN-EN 515-1:1996 oraz PN-EN 573-1:2006. Obrabiane cieplnie są głównie stopy z grup 2, 6 i 7, np:
– AlCu (gr.2)
– AlCuMg (gr.2)
– AlMgSi (gr.6)
– AlZnMg (gr.7)
– AlZnMgCu (gr.7)
Powyższe stopy aluminium – poddane obróbce cieplnej – charakteryzują się stosunkowo dobrą skrawalnością. Spowodowane to jest uzyskaniem za pomocą utwardzania wydzieleniowego zwiększonej twardości stopu i wytrzymałości na rozciąganie.
Stopy z pozostałych grup nie obrabia się cieplnie, a ich właściwości mechaniczne polepsza się w sposób „naturalny”, to znaczy wytrzymałość jest zwiększana przez różne domieszki stopowe oraz formowanie na zimno (umocnienie zgniotem).
W zależności od rodzaju oraz ilości dodatków i od tego czy wytrzymałość danego stopu została wzmocniona za pomocą obróbki plastycznej na zimno, niektóre stopy z pozostałych grup również nadają się do toczenia. Przykładem mogą być stopy AlMn (gr.3), AlSi (gr.4), AlMgSi (gr.6), AlMgMn (gr.8) itd. Tutaj jednak głównym czynnikiem decydującym o skrawalności jest procentowa zawartość pierwiastków, zatem uzyskane właściwości zmieniają się w bardzo szerokim zakresie.
Niewiele jest dwuskładnikowych stopów AlMg (gr.5). Aby polepszyć ich skrawalność dodaje się w tego typu stopach pierwiastki Pb i Bi, ułatwiając proces tworzenia wiórów.
Stopy Al z Cu i Mg z dodatkiem Mn, Fe, lub Si nazywane są duraluminium lub duralami miedziowymi i wykazują bardzo dobrą skrawalność.
Stopy AlZn (gr.7), zawierające w swoim składzie na kolejnych miejscach (po Zn) Mg i Cu nazywane są duralami cynkowymi i wykazują najwyższe właściwości wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium, co przekłada się na bardzo dobrą skrawalność. W stanie utwardzonym wydzieleniowo ich wytrzymałość na rozciąganie Rm wynosi ok. 700MPa, a granica plastyczności ok. 600MPa przy małym wydłużeniu A=2-5%.
Warto również wspomnie, że dodatki ołowiu polepszają ogólną skrawalność, jednak ich udział wg norm nie może przekraczać 0,4 % w stopie. Stop z dodatkiem ołowiu typu AlCuMgPb będzie zatem również dobrze obrabialny w trakcie toczenia.
Jakie odlewnicze stopy aluminium nadają się do toczenia?
Grupy opisujące stopy odlewnicze aluminium różnią się od grup stopów do przeróbki plastycznej nieznacznie, tak samo jednak wprowadzają podział wg kolejności pierwiastków stopowych, wystepujących w największej ilości po aluminium:
– Grupa 1 – czyste Al (pow.99%)
– Grupa 2 – AlCu
– Grupa 3 – AlSiCu / AlSiMg
– Grupa 4 – AlSi
– Grupa 5 – AlMg
– Grupa 6 – AlMgSi
– Grupa 7 – AlZn
– Grupa 8 – AlSn
– Grupa 9 – Al + inne pierwiastki stopowe
Sposób oznaczania stopów odlewniczych zawierają normy PN-EN 1780-1:2004 i PN-EN 1780-2:2004.
Ogólnie do obróbki skrawaniem, w tym toczenia, zazwyczaj lepiej nadają się stopy odlewnicze. Spowodowane to jest większą zawartością pierwiastków stopowych w stopie (5%-25%). Przykładowymi dobrze skrawalnymi stopami odlewniczymi są:
– AlSi (tzw. siluminy)
– AlSiMg
– AlSiCu
– AlCuTi
– AlMg
Stopy AlSi (gr.4) zwane są siluminami i zawierają od 2 do 30% (najczęściej 5÷13,5%) krzemu. Te o składzie eutektycznym (ok. 12% Si) posiadają bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe. Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi z dodatkami Cu, Mg i Mn, które zwiększają ich wytrzymałość.
Przy doborze stopu odlewniczego do toczenia należy jednak zwrócić uwagę na procentową zawartość krzemu, gdyż jego nadmiar pogarsza trwałościowe wskaźniki skrawalności (Patrz artykuł „Jakie aluminium do frezowania”). Do 12% zawartości Si wskaźniki trwałościowe pogarszają się łagodnie, natomiast powyżej 12% następuje to już znacznie szybciej.Najlepiej zatem wybierać stopy z zawartości Si zbliżoną do około 12%.
Stopy AlZn (gr.7) i AlSn (gr.8) również wykazują dobrą skrawalność i stabilność wymiarową. W przypadku tych pierwszych zawartość Zn w stopie sięga do 8% natomiast dodatek Sn w stopach z grupy 8 nie przekracza 20%.
Metale typu magnez (Mg) i miedź (Cu) jako dodatki stopowe zwiększają wytrzymałość aluminium i zmniejszają jego odkształcalność. Magnez jako dodatek do stopu ma również tę zaletę, że przy odpowiedniej obróbce cieplnej znacznie poprawia odporność stopu aluminium na korozję.
Formatka aluminium PA6 40x200x200
Jakie parametry skrawania dla toczenia stopów aluminium?
Podczas toczenia aluminium ważną rolę odgrywają nie tylko właściwości mechaniczne samego stopu aluminium, który ma zostać poddany obróbce, lecz także inne parametry wpływające na przebieg obróbki. Jednym z nich jest prędkość skrawania, a jej wartość zależy między innymi od następujących kryteriów:
– jakości i typu narzędzia,
– rodzaju obrabianego stopu,
– parametrów tokarki.
Ważną kwestią decydującą o prędkości skrawania jest udział krzemu w stopie. W zależności od jego procentowej zawartości zmienia się temperatura topnienia materiału, a tym samym tendencja do „rozcierania się”. Zasadniczo prędkość skrawania stopu rośnie wraz ze spadkiem zawartości krzemu i odwrotnie. Stwierdzenie to wyjaśnia poniższy przykład dotyczący parametrów skrawania dla tego samego narzędzia skrawającego i dwóch stopów aluminium o różnej zawartości krzemu.
Przykład toczenia stopu aluminium z zawartością Si<12% oraz Si >12%
W przypadku stopów aluminium, które mają mniej niż 12% krzemu, zastosowanie głębokości skrawania 1,0 mm i posuwu 0,1 mm/obr. pozwala uzyskać prędkość skrawania równą 100 m/min. Zwiększenie głębokości na 2,0 mm oraz posuwu 0,3 mm/obr. da prędkości 600 m/min. Natomiast przy głębokościach skrawania 3,0 mm i posuwie 0,6 mm/obr.możliwe jest uzyskanie prędkości 1200 m/min.
Sytuacja wygląda jednak inaczej, jeśli udział krzemu w stopie aluminium wynosi powyżej 12%. Wówczas prędkość skrawania zmienia się równolegle do głębokości skrawania i posuwu. Przykład: prędkość 100 m/min odpowiada głębokości skrawania 0,5 mm i prędkości posuwu 0,1 mm/obr. Dla prędkość skrawania równej 200 m/min można zastosować głębokoś
skrawania 1,0 mm i posuw 0,2 mm/obr. Natomiast dla prędkości skrawania 300 m/min. głębokość skrawania wyniesie 1,5 mm, a posuw 0,4 mm/obr. W przypadku toczenia takich gatunków stopów (pow. 12% Si) maksymalne prędkości skrawania (Vc) jakie można uzyskać to 400 m/min.
Jak wynika z analizy powyższych parametrów wzrost udziału krzemu w stopie pogarsza trwałościowy wskaźnik skrawalności, związany z prędkością skrawania. Zwiększa się wytrzymałość materiału na rozciąganie, przez co rosną siły skrawania i dlatego prędkość skrawania, w tym posuw na obrót i głębokość skrawania muszą zostać zredukowane. Jedocześnie polepsza się wskaźnik gładkościowy, związany z chropowatością powierzchni.
Wniosek z tego jest taki, że należy tak dobrać materiał, aby „wyśrodkować” oba wskaźniki skrawalności i uzyskać zarówno dobrą chropowatość powierzchni jak i optymalną prędkość skrawania. Im jest ona większa, tym zmniejsza się ryzyko uszkodzenia ostrza płytki skrawającej, poprzez pojawienie się na jej powierzchni tzw. narostu.
Podsumowanie
Stopy aluminium, pomimo stosowania coraz nowszych materiałów takich jak np. kompozyty, są i prawdopodobnie nadal będą jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych. Świadczy o tym stale zwiększająca się liczba wytwarzanych nowych gatunków stopów Al. Szczególnie obiecująca wydaje się mozliwość użycia stopów Al–Li, które przy zmniejszonej gęstości posiadają lepsze właściwości wytrzymałościowe.
Do toczenia stopów aluminium przeważnie stosuje się narzędzia skrawające wykonane ze stali szybkotnącej, węglików spiekanych, a także płytki z ostrzami z PKD. Należy także pamiętać o dobrym chłodzeniu narzędzia, tak aby zapewnić optymalne rozpraszanie ciepła i zmniejszyć tarcie.
Zapraszamy do przeczytania:
Polerowanie aluminium – jak i czym polerować aluminium?
