Металлообработка алюминия
и его сплавов: технологии и режимы

Свойства алюминия, важные для обработки

Плотность алюминия около 2,7 г/см³, это втрое меньше стали, отсюда и его популярность в деталях, где важна масса: корпуса, кронштейны, элементы конструкций для транспорта. Но для механообработки важнее не масса, а три других свойства.

Первое: высокая пластичность. Чистый алюминий и мягкие сплавы дают длинную вязкую стружку, которая не ломается сама, наматывается на резец и деталь, царапает уже обработанную поверхность. Решение это острая передняя геометрия резца, стружколомающие канавки и увеличенная скорость резания.

Второе: теплопроводность в несколько раз выше, чем у стали. Тепло от резания быстро уходит в деталь и в инструмент, поэтому алюминий реже «горит» на резце, но деталь может расширяться при обработке и терять размер после остывания, особенно на тонкостенных корпусах.

Третье: оксидная плёнка Al₂O₃ на поверхности. Она образуется мгновенно на воздухе, твёрже самого металла и плавится при температуре в разы выше температуры плавления алюминия. На резании это заметно не мешает, а вот на сварке это главная техническая проблема, о ней ниже.

Основные марки алюминиевых сплавов

Марка сплава определяет и то, как деталь будет резаться, и то, что с ней можно делать дальше: варить, анодировать, термоупрочнять.

Если марка сплава в задании не указана, мы уточняем её у заказчика или предлагаем вариант по назначению детали: для декоративной анодированной детали одна марка, для нагруженного кронштейна другая. Подробнее о работе с этой группой металлов и с титаном на странице детали из нержавейки, алюминия и титана.

Точение алюминиевых деталей

На токарной операции алюминий позволяет высокие скорости резания, обычно в разы выше, чем для конструкционной стали, но требует внимания к стружкоотводу. Резец с положительным передним углом и полированной передней поверхностью снижает налипание металла на кромку.

Для вязких сплавов, таких как АМц и АМг, стружколомающая канавка обязательна, иначе длинная стружка забивает станок и портит поверхность. Для силуминов с кремнием ситуация обратная: абразивный кремний ускоряет износ обычных твердосплавных пластин, здесь чаще применяют пластины с покрытием или поликристаллический алмаз.

СОЖ на точении алюминия решает две задачи: смыв стружки из зоны резания и стабилизация температуры детали, чтобы размер не «плыл» между черновым и чистовым проходом. На тонкостенных втулках и стаканах припуск на чистовой проход оставляют небольшим, чтобы деталь не повело.

Фрезерование алюминиевых деталей

Фрезерование, пожалуй, самая частая операция для алюминиевых корпусов, панелей и кронштейнов, именно здесь чаще всего рождаются вопросы по формату «металлообработка алюминия и сплавов, полное руководство»: одна и та же деталь может быть простой в проекте и сложной в реализации из-за тонких стенок и жёстких допусков.

Для тонкостенных корпусов важен порядок обработки: сначала снимают основной припуск с запасом на деформацию, затем дают детали «отлежаться» и уже потом делают чистовой контур. Это касается и деталей из листового металла, о которых подробнее на странице детали из листового металла.

Сверление и нарезка резьбы в алюминии

Сверление алюминия быстрое, но именно на этой операции чаще всего рождается разбитое отверстие или сорванная резьба, если оснастка не приспособлена под мягкий металл.

• Угол заточки сверла. Под алюминий берут более острый угол в вершине, чем под сталь, иначе сверло уводит и отверстие получается овальным.
• Скорость и подача. Слишком низкая скорость забивает канавки сверла стружкой, слишком высокая подача рвёт кромку выхода отверстия.
• Резьба в мягком алюминии. Метчики берут с полированной канавкой, часто с СОЖ на основе масла, чтобы избежать задиров резьбы, особенно на тонкой стенке.
• Глубокие отверстия. Периодический вывод сверла для удаления стружки обязателен, иначе стружка забивает канавку и ломает инструмент.

Метрическую и трубную резьбу нарезаем по чертежу с указанным полем допуска, для нестандартного крепежа есть отдельная страница нестандартный крепёж по чертежу, а сама операция нарезки резьбы описана на странице нарезка резьбы.

Сварка алюминия: что важно знать

Оксидная плёнка, о которой шла речь в первом разделе, это причина, по которой алюминий варят на переменном токе аргонодуговой сваркой: один полупериод плавит металл, другой разрушает оксид. На постоянном токе вручную плёнка остаётся в шве включениями.

Присадку подбирают под сплав: для литейных сплавов с кремнием чаще берут присадку на основе кремния, для деформируемых магналиевых сплавов присадку на основе магния, от этого зависит и прочность шва, и его цвет после анодирования.

После сварки корпусов и рам из алюминия перед чистовой механообработкой посадочных мест деталь обычно выдерживают или отпускают: сварка снимает часть напряжений неравномерно, и без этого шага деталь может повести уже на финишной операции. Подробный разбор режимов, тока и расхода газа на странице сварка аргоном, а профиль по совместной сварке разных цветных металлов на странице сварка нержавейки и алюминия.

Термообработка алюминиевых сплавов

Не все алюминиевые сплавы упрочняются термообработкой. АМц и сплавы группы АМг набирают прочность только за счёт наклёпа при прокатке или штамповке, нагрев их скорее разупрочняет. А вот Д16, В95 и большинство сплавов серии 6xxx термоупрочняемые, для них термообработка это основной способ получить нужные механические свойства.

На практике цеха термообработка алюминия чаще всего нужна в двух случаях: заготовку получили в состоянии, не подходящем под нагрузку детали, и её нужно состарить или отжечь, либо деталь сварная и нужно снять напряжения перед чистовой обработкой. Конкретный режим по температуре и времени назначаем по марке сплава и требованиям чертежа, отдельно от режимов для стальных деталей, о которых подробнее на странице детали с термообработкой.

Финишная обработка и анодирование

Финишная обработка алюминиевых деталей решает две задачи: точность и внешний вид. По точности это шлифование посадочных поверхностей и притирка, где нужен минимальный допуск. По внешнему виду это полирование под зеркало и анодирование.

Анодирование, оно же анодная оксидация, это электрохимическое наращивание собственной оксидной плёнки алюминия до толщины в десятки микрон. Плёнка твёрже необработанной поверхности, устойчива к коррозии и хорошо принимает краситель, поэтому анодированные детали часто делают цветными: чёрный, золотистый, синий и другие оттенки по стандартным красителям.

Перед анодированием поверхность должна быть подготовлена: без задиров, следов инструмента и разводов от СОЖ, потому что оксидная плёнка их не скрывает, а часто подчёркивает. Требования к шероховатости для последующего анодирования указываем заранее, до начала обработки.

Типичные ошибки в чертеже на алюминий

Часть проблем с ценой и сроком рождается ещё на этапе чертежа, до того, как деталь попадает в станок.

1. Не указана марка сплава. «Алюминий» это не марка, а группа металлов с разными свойствами, от этого зависят режимы, сварка и последующая термообработка.
2. Допуск скопирован со стальной детали. Из-за большего теплового расширения алюминия и его пластичности жёсткий допуск, посильный для стали, на алюминии может потребовать дополнительный проход и контроль.
3. Не указана толщина стенки при сложном контуре. Тонкая стенка требует другого порядка обработки и оснастки, без этой информации риск деформации выше.
4. Требование к анодированию без указания цвета и толщины плёнки. Толщина плёнки влияет на итоговый размер детали, это нужно учитывать уже в допуске на чертеже.

Мы уточняем эти вопросы до начала работы, а не после первой партии брака, поэтому расчёт по алюминиевой детали иногда занимает чуть больше времени, чем по стали.

Что мы делаем на своём производстве

ООО «Катана» работает с алюминием и его сплавами на собственных станках: HAAS ST-10, HAAS VM3, DMG CTX 310, PUMA. Заказ принимаем от одной детали, работаем по чертежу, 3D-модели и по образцу, партии собираем без ограничения по количеству. Производства в Москве, Казани и Набережных Челнах, отправка готовых деталей по всей России.

По алюминию делаем корпуса и кронштейны, тонкостенные и точные детали, сварные рамы и ёмкости с последующей механической обработкой посадочных мест, детали под последующее анодирование или окраску. Собственная термообработка и линия покрытий позволяют закрыть цикл на одной площадке, не передавая деталь между разными подрядчиками. Общий перечень работ по изготовлению деталей на странице изготовление деталей на заказ.

Когда алюминий не подходит

Металлообработка алюминия и сплавов не универсальное решение, и часть заказчиков приходит к нам с чертежом, где материал стоит «по умолчанию», хотя задача требует другого металла.

Если деталь работает в агрессивной химической среде или требует высокой твёрдости поверхности без покрытия, чаще подходит нержавеющая сталь: подробный разбор её обработки в статье обработка нержавеющей стали. Если решающий фактор это стоимость заготовки при высокой нагрузке, часто выигрывает конструкционная или легированная сталь, а иногда чугун или бронза, в зависимости от узла.

Общий обзор по выбору между чёрными и цветными металлами, включая логику подбора материала под задачу, собран в статье обработка чёрных и цветных металлов. Там же о бронзе и чугуне, если алюминий по параметрам не подходит: страницы детали из бронзы и детали из чугуна.

Цены и сроки

Цена на алюминиевую деталь складывается из марки сплава, сложности геометрии, партии, допусков и того, нужны ли сварка, термообработка или анодирование. Ниже ориентир по типовым позициям, точная стоимость только после чертежа или образца.

Перед расчётом уточняем марку сплава, толщину заготовки и стенки, требования к шероховатости и покрытию, партию и срок. Если марка не задана, поможем подобрать её под назначение детали, ничего не додумывая за заказчика.

Вопросы и ответы