Обработка алюминия и меди: методы, инструменты, охлаждающие агенты

Цветные металлы, такие как медь и алюминий, становятся все более популярными в промышленности. Основным потребителем здесь является автомобильная промышленность, которая широко использует их в электромобилях и легких конструкциях. Производители автомобилей не единственные, кто нуждается в алюминии.

Это также второй по частоте использования металл в машиностроении после стали. Он не только на 2/3 легче своих стальных конкурентов, но, после соответствующей термообработки, имеет сравнимые с ними механические свойства.

Обработка алюминия - керамика и титан под запретом

Эффективная обработка алюминия требует соблюдения трех требований: использование методов высокоскоростной обработки, реализация соответствующей стратегии смазки и охлаждения и правильный выбор инструментов.

Хотя этот материал считается простым в обработке, а силы резания составляют лишь 1/3 от таковых для стали, он имеет и свою специфику, которую следует учитывать в процессе обработки.

В случае алюминия с низкой склонностью к износу (как термическому, так и механическому) наилучшие результаты достигаются при использовании инструментов из быстрорежущей стали (HHS), спеченных твердых сплавов или инструментальной стали.

Износостойкие сплавы требуют использования инструментов с алмазным покрытием (PCD). Твердый сплав и алмаз обеспечивают вдвое большую эффективность обработки на средних скоростях подачи, чем инструменты из инструментальной стали.

Специалисты не рекомендуют использовать для обработки алюминия керамические или карбид-титановые инструменты: содержащиеся в них соединения кремния растворимы в алюминии и могут вступать в реакцию, что может резко сократить срок службы инструмента.

По сравнению с фрезами по стали, фрезы для обработки алюминия известных производителей характеризуются относительно небольшим количеством зубьев, что облегчает съем стружки. Это важно, поскольку более высокая эффективность резки алюминия приводит к образованию большего количества стружки, чем в случае со сталью.

Смазка и охлаждение при обработке алюминия

Как и в случае со сталью, при обработке алюминия смазочные материалы и охлаждающие агенты выполняют две задачи: во-первых, они минимизируют износ инструмента и количество тепла, выделяемого при трении, а во-вторых, охлаждают зону обработки.

Алюминий более подвержен тепловому расширению, чем сталь, поэтому хорошее рассеивание тепла имеет решающее значение для поддержания высокой точности размеров детали.

Эксперты сходятся во мнении, что наилучшего комбинированного эффекта смазки и охлаждения при обработке алюминия можно достичь, используя минимальную смазку эмульсией, состоящей из воды и машинного масла . Поскольку алюминий легче рассеивает тепло, чем сталь, в некоторых процессах также можно использовать сухую обработку.

В свою очередь, при сверлении или нарезании резьбы в алюминии многие специалисты используют этанол. Основное преимущество спирта состоит в том, что он очень хорошо охлаждает алюминий, и в то же время, в отличие от масел, он не липкий, что предотвращает слипание стружки и облегчает ее выдувание из зоны обработки.

Но это еще не все: стружку также можно собирать и использовать в качестве сырья в других процессах обработки - без необходимости удаления остатков СОЖ и смазки. Поэтому некоторые производители машин для обработки алюминия оборудуют их системами охлаждения, которые распыляют туман этанола вместо масляного тумана.

Обработка меди и ее сплавов

Не только алюминий считается легким в обработке. В эту группу входит еще один металл – медь, а также более 30 сплавов на ее основе. Динамичный прогресс в создании новых, ранее неизвестных медных сплавов во многом обусловлен запретом на соединения со свинцом. Некоторые из них только недавно были классифицированы, а их параметры тщательно проанализированы.

Аналогичная путаница наблюдается и с параметрами, используемыми при обработке меди: у каждого завода своя философия на этот счет, а значит, мнения о том, как обрабатывать этот металл сильно разнятся.

Однако чистая медь имеет тот недостаток , что она податлива, а это означает, что при ее обработке образуется длинная стружка, которая отрицательно влияет на весь процесс. Поэтому его легируют теллуром (CuTeP) или серой (CuSP), которые повышают хрупкость стружки и тем самым облегчают резку.

Благодаря этому данные сплавы можно обрабатывать на автоматизированных станках без ущерба для свойств материала, что, в свою очередь, положительно влияет на стоимость единицы деталей.

В процессах фрезерования меди и ее сплавов, в том числе латуни, можно использовать инструмент из спеченных твердых сплавов марок от Н10 до Н20 и быстрорежущих сталей ХС6-5-2, ХС6-525, ХС2-918 и ХС12-145. Обработанная с их помощью медь все чаще применяется не только в электромобилях, но и в машиностроении, а именно в производстве прецизионных эрозионных электродов.

Различные методы и инструменты обработки меди

В процессе фрезерования меди можно использовать несколько стратегий. Чтобы минимизировать износ инструмента, рекомендуется (где это возможно) использовать торцевое фрезерование. Для обработки сложных форм обычно применяют червячное фрезерование, однако, если поверхность материала гладкая, в этом процессе можно использовать совмещенный метод.

Если в результате, например, литья в песчаные формы, на детали обнаруживаются шероховатости и неровности, рекомендуется соответственно снизить скорость резания: на 15% для твердосплавных инструментов и на 20% для быстрорежущей стали. Однако в целом эксперты отдают предпочтение использованию спеченных карбидов в этих процессах.

Нарезание медной резьбы также можно выполнить несколькими способами: здесь подойдет как классическое сверление, так и резьбофрезерование. Однако фрезерование имеет то преимущество, что при использовании твердосплавных резьбофрез с покрытием можно достичь скорости резания 200–400 м/мин с подачей на зуб от 0,05 до 0,15 мм. Чем больше диаметр фрезы, тем выше могут быть скорость и подача.

У инструментов без покрытия все наоборот: отсутствие дополнительного покрытия заставляет снижать скорость резания – на целых 30%. Однако эту скорость можно увеличить, если обрабатывать чистую медь.

Инструменты из монокристаллического алмаза и PCD также можно использовать при обработке меди. Первый подходит для чистовой обработки, второй позволяет совмещать черновую и чистовую обработку, что в ряде случаев позволяет осуществить весь процесс резания за один этап обработки.

Сухая и смазанная обработка меди

В целом медь можно обрабатывать как всухую, так и с применением смазочных и охлаждающих средств. Эти среды необходимы для обработки на станке, поскольку они также смазывают движущиеся компоненты станка. Если их ключевая задача — эффективное охлаждение материала, лучше всего использовать эмульсию, а в случае интенсивной смазки — машинное масло.

Для смазки и охлаждения меди не следует применять средства, содержащие серу, в этом случае готовую деталь следует тщательно очистить от остатков серы во избежание химических реакций. Охлаждение и обработка масляным туманом с минимальным охлаждением и смазкой также дают хорошие результаты.

Интересные факты об алюминии и меди

В XIX веке цена алюминия значительно превышала цену золота. Все изменилось в 1880 году, когда был изобретен более дешевый метод его производства. До этого у царственных особ большой популярностью пользовалась алюминиевая посуда: высшая знать ела на тарелках из этого металла.

Еще одним интересным фактом может быть то, что алюминий обладает парамагнитными свойствами, но создаваемое им электромагнитное поле настолько слабое, что его невозможно обнаружить невооруженным глазом.

Медь же не так широко доступна, как можно подумать: этот полудрагоценный металл встречается в земной коре в количествах всего 0,006% от ее общей массы. Он малотоксичен, что делает его популярным в медицине, позволяя оказывать олигодинамическое (бактерицидное) действие.

Цены на это сырье динамично растут на протяжении многих лет, что также способствует увеличению его хищений, особенно эта проблема затрагивает железные дороги, которые регулярно фиксируют многомиллионные убытки из-за воровства медных заземляющих кабелей.