Nhôm gia công: Hợp kim, Quy trình & Hướng dẫn đúc nhôm

6061-T6 là hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất cho gia công CNC nói chung vì nó kết hợp độ bền tốt (độ bền kéo 310 MPa), khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng hàn và khả năng gia công cho phép tốc độ cắt cao và bề mặt sạch sẽ. Đối với các ứng dụng yêu cầu cường độ tối đa, 7075-T6 là lựa chọn ưu tiên, cung cấp độ bền kéo 572 MPa ở cùng mật độ. Đối với công việc máy trục vít khối lượng lớn sản xuất các chi tiết tiện nhỏ, 2011-T3 mang lại khả năng gia công tốt nhất (được ASM xếp hạng 'A'), với xu hướng tạo mép tối thiểu. Đối với các bộ phận bắt đầu bằng đúc nhôm, A356-T6 và A380 là hợp kim đúc được gia công phổ biến nhất.

Gia công nhôm CNC tiêu chuẩn đạt được ±0,025–0,1 mm trên kích thước tuyến tính và khớp H7/h6 (khoảng ±0,010–0,020 mm) trên lỗ khoan và trục như một công việc thường ngày mà không cần điều khiển quy trình đặc biệt. Với gia công chính xác, phòng được kiểm soát nhiệt độ và phản hồi CMM, có thể đạt được dung sai ±0,005 mm trên kích thước tuyến tính và ±0,002 mm trên lỗ khoan. Tiện kim cương siêu chính xác có thể đạt tới sai số hình thức dưới 0,1 µm (100 nm) trên gương phản xạ và gương nhôm cấp quang học. Độ nhám bề mặt dao động từ Ra 3,2 µm trong phay tiêu chuẩn đến Ra 0,2 µm khi tiện tinh và Ra 0,05 µm hoặc cao hơn trong gia công hoàn thiện tiện kim cương.

Đúc nhôm được tạo ra bằng cách đổ hoặc bơm nhôm nóng chảy vào khuôn - hình dạng được tạo ra từ khoang khuôn. Một bộ phận bằng nhôm được gia công có hình dạng được tạo ra bằng cách loại bỏ vật liệu khỏi kho bằng các công cụ cắt. Trong thực tế, nhiều bộ phận bằng nhôm đều có cả hai: chúng bắt đầu ở dạng đúc nhôm (để đạt được hình dạng gần như thật với chi phí thấp) và sau đó trải qua quá trình gia công để đạt được dung sai chặt chẽ đối với các đặc điểm quan trọng mà quá trình đúc không thể đảm bảo chính xác. Việc đúc xác định hình dạng tổng thể và kích thước gần đúng; quá trình gia công xác định kích thước chính xác, độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác hình học của các bề mặt chức năng.

Độ cứng thấp của nhôm (thường là 60–150 HB so với 150–300 HB đối với thép), mật độ thấp và độ dẫn nhiệt cao kết hợp với nhau cho phép tốc độ cắt và tốc độ tiến dao cao hơn nhiều. Nhôm tạo ra lực cắt ít hơn trên một đơn vị thể tích bị loại bỏ, có nghĩa là cấu trúc máy nhẹ hơn, ít mài mòn dụng cụ hơn và ít nhiệt hơn trong phôi. Tốc độ cắt nhôm với dụng cụ cacbua nằm trong khoảng từ 300–3.000 m/phút so với 60–300 m/phút đối với thép. Lợi thế tốc độ 5–10× này trực tiếp dẫn đến chi phí trên mỗi bộ phận thấp hơn khi gia công nhôm so với thép trên cùng một máy, miễn là thời gian thiết lập và cố định được kiểm soát.

Có, nhưng với những lưu ý quan trọng. Hợp kim 6061 và 6082 được hàn dễ dàng bằng quy trình MIG (GMAW) hoặc TIG (GTAW) sử dụng dây phụ 4043 hoặc 5356. Tuy nhiên, việc hàn một bộ phận nhôm đã qua xử lý nhiệt (tính nhiệt T6) sẽ phá hủy điều kiện nhiệt độ trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt, làm giảm độ bền cục bộ từ 30–50%. Nếu tính toàn vẹn của cấu trúc là quan trọng sau khi hàn, bộ phận đó phải được xử lý nhiệt bằng dung dịch và lão hóa nhân tạo (được tôi luyện lại đến T6) sau khi hàn, điều này đòi hỏi phải có cơ sở vật chất và tăng thêm chi phí. Đối với nhiều ứng dụng, ốc vít có ren hoặc khớp nối được ưu tiên hơn là hàn trên các cụm nhôm được gia công chính xác để tránh sự giảm độ bền này. Hợp kim 7075 thường được coi là không hàn được bằng phương pháp hàn nhiệt hạch do tính nhạy cảm với vết nứt nóng.

Các bộ phận bằng nhôm có thành mỏng (độ dày thành dưới 2 mm) dễ bị va đập, biến dạng dưới lực cắt và cong vênh do ứng suất dư gây ra sau khi tháo vật cố định. Các chiến lược hiệu quả bao gồm: sử dụng các dụng cụ sắc bén, có độ cào cao để giảm thiểu lực cắt; thực hiện nhiều đường hoàn thiện nông thay vì một đường cắt thô nặng trên các bức tường mỏng; sử dụng sáp, bọt hoặc hợp kim có độ nóng chảy thấp để hỗ trợ các bức tường mỏng trong quá trình gia công; gia công xen kẽ giữa các mặt đối diện để cân bằng việc giải phóng ứng suất dư; và sử dụng thiết bị cố định chân không hoặc thiết lập ngàm mềm để phân phối lực kẹp mà không cần tải các phần mỏng theo điểm. Đối với các bộ phận rất mỏng (dưới 1 mm), khả năng giảm rung bằng bọt nhớt đàn hồi được áp dụng cho mặt sau trong quá trình gia công sẽ có hiệu quả.

Độ dày thành tối thiểu phụ thuộc vào kích thước tổng thể, hợp kim và chất lượng cố định của bộ phận. Trong phay CNC nói chung, có thể đạt được thành mỏng tới 0,5–1 mm ở 6061-T6 với chiến lược đường chạy dao cẩn thận và cố định. Có thể sử dụng các bức tường có độ dày dưới 0,5 mm nhưng cần có kỹ thuật gia công tường mỏng chuyên dụng. Đối với vật đúc bằng nhôm được gia công sau đó, độ dày thành đúc tối thiểu thường là 1,5–2,5 mm đối với HPDC (đúc khuôn áp suất cao) và 3–5 mm đối với đúc cát, với các tính năng gia công nhắm mục tiêu nhỏ hơn 0,5–2 mm so với thành đúc để loại bỏ lớp vỏ bề mặt trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Đối với môi trường ăn mòn ngoài trời (không khí biển, ven biển hoặc công nghiệp), anodizing loại II sau đó là lớp đệm tẩm PTFE mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa khả năng chống ăn mòn và độ ổn định kích thước. Anodize loại II trên 6061-T6 vượt qua 336–500 giờ trong thử nghiệm phun muối ASTM B117 mà không bị ăn mòn. Đối với những môi trường rất khắc nghiệt (ví dụ như chìm trong nước biển), lớp mạ niken điện phân trên bề mặt được anod hóa hoặc xử lý hóa học sẽ tạo thêm một rào cản nữa. Sơn tĩnh điện trên lớp phủ chuyển hóa cromat là hệ thống được ưu tiên cho các thành phần nhôm có kết cấu lớn, nơi hình thức bên ngoài và khả năng chống tia cực tím cũng được ưu tiên. Nhôm gia công trần không qua bất kỳ xử lý nào có thể được chấp nhận trong nhà ở môi trường không ngưng tụ, nơi lớp oxit tự nhiên không bị hư hỏng do lắp ráp hoặc xử lý mài mòn.

Độ xốp trong vật đúc nhôm - lỗ khí, lỗ co ngót hoặc mạng co ngót vi mô - có thể giao nhau với các bề mặt gia công và tạo ra một số vấn đề: đường rò rỉ qua tường chịu áp lực, bề mặt nhám trên bề mặt ổ trục hoặc bịt kín và giảm độ bền mỏi ở các cạnh lỗ rỗng tập trung ứng suất. Tiêu chuẩn NADCA quy định mức độ xốp tối đa chấp nhận được cho các ứng dụng đúc khác nhau - bề mặt bịt kín thường yêu cầu NADCA loại A (không nhìn thấy được độ xốp có đường kính trên 0,8 mm). Việc ngâm tẩm (ép chân không nhựa nhiệt rắn vào các lỗ sau khi gia công) bịt kín độ xốp kín khí mà không ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước và là thông lệ tiêu chuẩn cho các bộ phận đúc bằng nhôm được sử dụng trong các ứng dụng khí nén hoặc thủy lực, nơi yêu cầu tính toàn vẹn về áp suất.

Khối lượng chéo phụ thuộc vào kích thước bộ phận, độ phức tạp và quy trình đúc áp dụng. Đối với HPDC (thích hợp cho các bộ phận có thành mỏng, phức tạp từ nhỏ đến trung bình), khoản đầu tư vào dụng cụ là 20.000–80.000 USD. Nếu gia công phôi có giá 50–100 USD mỗi bộ phận và quá trình đúc HPDC cộng với gia công giảm chi phí đó xuống còn 20–40 USD mỗi bộ phận, thì dụng cụ sẽ được phục hồi trong 500–2.500 bộ phận. Đối với đúc khuôn trọng lực (chi phí dụng cụ thấp hơn, 5.000–20.000 USD, nhưng thời gian chu kỳ chậm hơn), bộ phận chéo thường là 200–500 bộ phận. Đối với đúc cát (chi phí dụng cụ không đáng kể trên mỗi bộ phận nhưng độ chính xác kích thước thấp hơn và khả năng gia công cao hơn), nó có thể tiết kiệm chi phí ngay cả ở khối lượng rất thấp khi các bộ phận có kích thước lớn và lãng phí vật liệu từ gia công phôi sẽ cực kỳ lớn. Là một hướng dẫn thực tế, xem xét việc đúc nhôm khi khối lượng hàng năm vượt quá 300–500 đơn vị và trọng lượng bộ phận vượt quá 0,5 kg.