Przyszłość należy do lekkich i recyklingowalnych aluminiowych przedmiotów obrabianych

Producenci z branży samochodowej i lotniczej stoją przed ogromną transformacją. Nowe przepisy środowiskowe oraz oczekiwania konsumentów, których świadomość ekologiczna rośnie, zmuszają producentów samochodów do projektowania nowych pojazdów, odznaczających się niską lub zerową emisją.
Aluminium jako materiał konstrukcyjny, może być odpowiedzią na wyzwania przed którymi stoi branża produkcyjna. To jeden z najlżejszych metali, niemal trzykrotnie lżejszy niż żelazo, a zarazem wytrzymały i odporny na korozję. Ponadto aluminium jest materiałem wielokrotnego użytku. Można je przetapiać i wykorzystywać wielokrotnie, nie pogarszając, ani nie zmieniając jego właściwości mechanicznych. Dzięki wydajnym procesom recyklingu około 75% całego wyprodukowanego aluminium jest dziś nadal w użyciu, co wróży dobrze w kontekście wdrażania idei zrównoważonej gospodatki przyszłości.

Obróbka stopów aluminium w branży motoryzacyjnej

Film: Frezy czołowe do obróbki aluminium w branży motoryzacyjnej
Choć pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej rozpowszechnione, minie jeszcze trochę czasu, zanim silnik wewnętrznego spalania zejdzie ze sceny. Wobec obecnych prób stosowania czystszych źródeł energii, zastosowanie lekkich materiałów do produkcji silników wewnętrznego spalania staje się niezbędne, gdyż zwiększa wydajność zużycia paliwa i obniża poziom zanieczyszczeń. Układ przeniesienia napędu typowego europejskiego samochodu osobowego zawiera około 80 kilogramów aluminium, co czyni z tych części – do których należą silnik, skrzynia biegów, układ zawieszenia i obudowy – oczywisty przedmiot wysiłków zmierzających do ograniczenia masy. Zamiana stosowanego tradycyjnie żeliwa na stopy aluminium może zmniejszyć masę bloku silnika nawet o 40–55%, nawet jeśli uwzględnimy mniejszą wytrzymałość aluminium w porównaniu z szarym żeliwem. Kilka części układu przeniesienia napędu, zwłaszcza korpusy skrzyni biegów, urządzenia/podzespoły elektryczne, wahacze i oś tylna, to najważniejsze przykłady zastosowań, w których aluminium to preferowany materiał.
Specjalne rozwiązania narzędziowe dla producentów z branży motoryzacyjnej i producentów obrabiarek (MTM) przyczyniają się do zwiększenia produktywności produkcji. Kompletna oferta głowic frezarskich serii M5, obejmuje cały zakres: od wstępnej obróbki zgrubnej po wysokiej jakości wykończenie, aby umożliwiać optymalizację jakości i kosztu jednostkowego obróbki przedmiotu.
Głowice frezarskie serii M5 do obróbki materiałów z grupy ISO N:

• Pojedyncze przejście wykonane frezem M5Q90 pozwala oczyścić powierzchnie świeżo odlanych głowic cylindrowych i bloków silników bez pozostawiania zadziorów. To narzędzie frezarskie spisuje się niezawodnie i zapewnia dużą trwałość ostrzy.
• M5R90 jest narzędziem pierwszego wyboru do zgrubnego i półwykończeniowego frezowania walcowo-czołowego aluminiowych przedmiotów dla przemysłu motoryzacyjnego, takich jak głowice i bloki silnika oraz obudowy przekładni.
• Frez czołowy M5B90 stanowi bardzo skuteczne narzędzie do bardzo dokładnej obróbki wykończeniowej głowic cylindrów, bloków, pokryw i innych elementów, gdzie korzystna jest duża wartość promieniowej głębokości skrawania. Konstrukcja frezu M5B90 zapobiega nierównomiernemu zużyciu narzędzia oraz zapewnia ostrzom wyjątkową trwałość i możliwość frezowania z wysokimi posuwami.
• Koncepcja frezu M5C90 jest oparta o konstrukcję M5B90 i także oferuje niskie opory skrawania połączone z brakiem zadziorów, zadrapań i pęknięć dzięki zastosowaniu płytek wymiennych w układzie stopniowanym. Tym, co wyróżnia frezy czołowe M5C90, jest dodatkowy rząd płytek do obróbki zgrubnej, rozmieszczonych stycznie na zewnętrznej powierzchni walcowej.
• M5F90 to frez czołowy wyspecjalizowany w obróbce przedmiotów aluminiowych o cienkich ściankach w ramach jednej czynności, lecz można go także wykorzystywać do punktowej obróbki powierzchni czołowych i obróbki połączonej ze znacznym zagłębianiem narzędzia skrawającego.

Materiały z grupy ISO N

Metale nieżelazne to nie tylko aluminium, lecz także magnez, miedź i stopy na bazie cynku. Różnice w skrawalności zależą głównie od zawartości krzemu. Najczęściej spotykany jest typ podeutektyczny, w którym zawartość krzemu jest niższa niż 13%.

Przez wiele lat bloki silnika były wytwarzane ze stopów żeliwa, których zaletami są wytrzymałość, niskie koszty i odporność na ścieranie. Ponieważ jednak silniki stały się bardziej złożone, zaczęto stosować nowe materiały, dzięki którym stawały się one coraz lżejsze, bardziej wytrzymałe i odporne na zużycie. Obecnie w przypadku silników do samochodów osobowych najczęściej stosowanym materiałem są stopy aluminium, które pozwalają zmniejszyć masę i mają doskonałe właściwości odlewnicze.

Narzędzia do wytaczania cylindrów w żeliwie iw aluminium z wtopionymi żeliwnymi tulejami:

• B685 do stabilnego i produktywnego wytaczania cylindrów, obróbka od zgrubnej do półwykończeniowej
• B687 do stabilnego i produktywnego wytaczania wykończeniowego cylindrów
• B681 do stabilnego i produktywnego wytaczania zgrubnego cylindrów
• B683 do stabilnego i produktywnego wytaczania półwykończeniowego cylindrów

Podzespoły samochodu to zazwyczaj produkowane masowo przedmioty charakteryzujące się znacznym zagęszczeniem otworów o złożonej geometrii – co często uzasadnia zastosowanie zoptymalizowanych narzędzi wiertarskich w celu osiągnięcia maksymalnej produktywności i znacznej trwałości narzędzia, co ostatecznie przekłada się na niski koszt jednostkowy otworu.
Narzędzia wiertarskie / narzędzia monolityczne do obróbki aluminium:

• CoroDrill® 400 to wiertło z prostym rowkiem wiórowym, przeznaczone do złożonego wiercenia wielostopniowego, połączone z wykonywaniem załamań i zaokrągleń krawędzi. Pozwala też wiercić z wielostopniowe otwory o dużej różnicy w wymiarze długości średnicy z zakresu od 3 do 25 mm (0.118–0.984 in). Wiertła te charakteryzują się doskonałym odprowadzaniem wiórów, prostoliniowością otworu i dobrą jakością wykończenia powierzchni.
  
• CoroDrill® 430 to monolityczne wiertło węglikowe z trzema rowkami wiórowymi do wiercenia otworów wstępnych, czyli do nawiercania otworów o mniejszej średnicy. Umożliwiają one doskonałą kontrolę rozmiaru otworu i zapewnienie jego prostoliniowości, nawet w trudnych warunkach.
  
• Formowanie gwintów jest preferowanym rozwiązaniem w obróbce aluminiowych elementów silników i bezwiórowe gwintowygniataki CoroTap® 400 są narzędziem pierwszego wyboru do tego zastosowania.
  

Wskazówki dotyczące wiercenia w aluminium

1. Problem z powstawaniem zadziorów (gratu) i odprowadzaniem wiórów. Może również wystąpić pogorszenie trwałości ostrzy na skutek przywierania materiału obrabianego. Zalecenia: W celu poprawy przebiegu formowania wiórów należy stosować obróbkę z niskim posuwem i dużą prędkością skrawania.
2. Aby uniknąć pogorszenia trwałości, konieczne może być przetestowanie różnych rodzajów pokryć ochronnych w celu ograniczenia przywierania. Pokrycia te mogą obejmować powłoki diamentowe, a w niektórych przypadkach (w zależności od substratu) należy zrezygnować z pokrycia.
3. Inne: Podawać emulsję lub rozpylone chłodziwo pod wysokim ciśnieniem.

Obróbka stopów aluminium w branży lotniczej

Ilustracja: Frez do aluminium RAL90 i użebrowanie skrzydła

Podczas obróbki aluminium w branży lotniczej kluczowe znaczenie ma połączenie stabilności i niezawodności obróbki z wysoką prędkością i wydajnością skrawania. Istotnym elementem dobrej skrawalności jest w tym przypadku obróbka generująca możliwie niskie siły skrawania, które przekładają się na niskie zapotrzebowanie na moc, mniejszą podatność układu na drgania oraz dobrą jakość wykończenia powierzchni.
W konstrukcjach samolotów występuje kilka podzespołów wykonanych z aluminium: dźwigary, poszycie i użebrowanie. Na przykładzie użebrowania skrzydła możemy zaobserwować, jakie wyzwania są związane z obróbką podzespołów takich, jak cienkie ścianki boczne/dna wgłębień czy kieszenie 2D, a także korzystny wpływ wyważenia narzędzi. Sandvik Coromant oferuje szeroki asortyment narzędzi przeznaczonych do ekonomicznej, wysokiej jakości obróbki użebrowania skrzydła.
Obróbka cienkich ścianek
Wybór strategii obróbki cienkościennych części podzespołów musi zależeć od wysokości i grubości ścianki. Liczba przejść jest związana z wymiarami ścianki i osiową głębokością skrawania dla przejścia.
Techniki obróbki szybkościowej, np. zastosowanie małej wartości głębokości ap/ae czy dużej prędkości vc, ułatwiają frezowanie cienkich ścianek, skracając czas kontaktu roboczego narzędzia, a w efekcie zmniejszając szarpnięcia i ugięcie narzędzia. Frezowanie przejściami realizowanymi „na zakładkę” po obu stronach ścianki stosuje się przy obróbce ścianek o stosunku grubości do wysokości od 15:1 do 30:1.
Obróbka szybkościowa kieszeni za pomocą frezu typu RAL 90
Frez do aluminium RAL90 został zaprojektowany w celu zapewnienia ekstremalnie wysokich wydajności skrawania. Wyjątkowo wytrzymały korpus frezu w połączeniu ze zoptymalizowanymi gniazdami płytek wyznacza nowe standardy poziomu stabilności obróbki przy frezowaniu z dużą prędkością – idealnie nadaje się do ciężkiej obróbki zgrubnej i półwykończeniowej kieszeni w ramach używanych w branży lotniczej, wykonanych ze stopów aluminium.
Przy zastosowaniach wymagających wyższej wydajności skrawania, nowy frez RAL90 Super MRR może osiągać wyjątkowo wysokie obroty wrzeciona, np. aż do 33 000 obr./min, przy DC 50 mm – w porównaniu do 23 500 obr./min w przypadku RAL90. To oznacza wzrost produktywności o 40%.
Frezowanie aluminium za pomocą monolitycznych narzędzi węglikowych
Jeśli konieczne jest zastosowanie frezów o małych średnicach, najlepszym rozwiązaniem są monolityczne narzędzia węglikowe. Dzięki geometriom i gatunkom przeznaczonym do frezowania aluminium frezy trzpieniowe CoroMill® Plura oraz frezy trzpieniowe z wymienną częścią roboczą CoroMill® 316 zapewniają wysoką trwałość narzędzia przy wysokich wydajnościach skrawania.
Rowki wiórowe o kształcie zapewniającym dużo miejsca na wióry gwarantują doskonałe odprowadzanie wiórów. Ponadto, specjalna powierzchnia walcowa zmniejsza drgania we frezarce i minimalizuje powstawanie wykruszeń, umożliwiając uzyskanie doskonałej jakości wykończenia powierzchni.

Skrawalność aluminium

• Materiały polimerowe generujące długie wióry
• Kontrola wiórów jest względnie łatwa w przypadku stopów
• Czyste aluminium jest materiałem przywierającym, wymagającym zastosowania ostrych krawędzi skrawających i wysokiej prędkości skrawania vc
• Opór właściwy skrawania: 350–700 N/mm
• Zakres wartości siły skrawania dla materiałów tego typu oraz wynikający z nich poziom mocy skrawania są stosunkowo niewielkie
• Materiał ten można poddawać obróbce przy użyciu gatunków z drobnoziarnistego, niepowlekanego węglika, jeśli zawartość krzemu jest mniejsza niż 7-8%, oraz przy użyciu gatunków z końcówką z PCD, jeśli zawartość krzemu w aluminium jest wyższa
• Nadeutektyczne aluminium o dużej zawartości krzemu powyżej > 12% ma bardzo silne właściwości ścierne