Obróbka aluminium i miedzi: metody, narzędzia, środki chłodzące

elementy maszyny © Pixabay – Pineapple22Productions

Udostępnij:

Metale nieżelazne, takie jak miedź czy aluminium, cieszą się coraz większą popularnością w aplikacjach przemysłowych. Głównym motorem popytu jest tu przemysł motoryzacyjny, szeroko wykorzystujący je w pojazdach elektrycznych i lekkich konstrukcjach.

 

  • Do obróbki aluminium najlepsze są narzędzia ze stali szybkotnącej bądź węglika spiekanego; nie zaleca się zaś stosowania ceramiki ani węglika tytanu
  • Najlepsze efekty smarno-chłodzące w obróbce aluminium zapewnia emulsja składająca się z wody i oleju obróbkowego
  • Ze względu na wysoką ciągliwość obróbka miedzi generuje długie wióry
  • W obróbce oraz gwintowaniu miedzi można stosować różne techniki i narzędzia
  • Obróbkę miedzi można przeprowadzić zarówno na sucho, jak i przy użyciu odpowiednich środków smarno-chłodzących

Nie tylko producenci pojazdów ostrzą sobie zęby na aluminium. Jest ono także drugim po stali najczęściej stosowanym metalem w branży budowy maszyn. Jest przy tym nie tylko o 2/3 lżejsze od swoich stalowych konkurentów, ale, poddane odpowiedniej obróbce termicznej, wykazuje również porównywalne z nimi właściwości mechaniczne. Stąd też w sektorze motoryzacyjnym obróbka aluminiowych obudów skrzyń biegów i bloków silnika zajmuje wysoką pozycję na liście najczęściej realizowanych procesów – podobnie zresztą jak w lotnictwie, które szeroko wykorzystuje je do budowy samolotów.

>>Efektywna obróbka aluminium<<

Obróbka aluminium – ceramika i tytan na cenzurowanym

Efektywna obróbka aluminium wymaga spełnienia trzech wymogów: zastosowania metod obróbki szybkościowej, wdrożenia odpowiedniej strategii smarowania i chłodzenia oraz właściwego doboru narzędzi. Materiał ten co prawda uznawany jest za łatwy w obróbce, a siły skrawania wynoszą tu zaledwie 1/3 wartości typowych dla stali, ale także i on ma swoją specyfikę, którą należy uwzględnić w procesie przetwarzania.



W przypadku aluminium o niewielkiej podatności na zużycie (zarówno cieplne, jak i mechaniczne) najlepsze efekty przynosi zastosowanie narzędzi ze stali szybkotnącej (HHS), węglików spiekanych lub stali narzędziowej. Gatunki podatne na zużycie wymagają zaś użycia narzędzi z powłoką diamentową (PKD). Węgliki spiekane i diament zapewniają przy tym dwukrotnie większą wydajność obróbki przy średniej prędkości posuwu niż narzędzia ze stal narzędziowej.

Eksperci nie zalecają natomiast stosować do obróbki aluminium narzędzi z ceramiki ani węglika tytanu: zawarte w nich związki krzemu są rozpuszczalne w aluminium i mogą wejść z nim w reakcję, co może drastycznie skrócić żywotność narzędzia. W porównaniu do frezów do stali oferowane przez renomowanych producentów frezy do obróbki aluminium cechują się relatywnie małą liczbą zębów, co ułatwia odprowadzanie wiórów. Ma to o tyle istotne znaczenie, że większa wydajność skrawania aluminium przekłada się na większą niż w przypadku stali ilość generowanych wiórów.

Smarowanie i chłodzenie podczas obróbki aluminium

Podobnie jak w przypadku stali, także w obróbce aluminium środki smarno-chłodzące mają do spełnienia dwa zadania: po pierwsze, minimalizują zużycie narzędzi i ilość ciepła generowanego na skutek tarcia, a po drugie – chłodzą strefę obróbki. Aluminium jest bowiem bardziej podatne na rozszerzenia cieplne niż stal, a tym samym dobre odprowadzanie ciepła ma kluczowe znaczenie dla zachowania wysokiej dokładności wymiarowej detalu.

Eksperci są zgodni, że najlepszy połączony efekt smarowania i chłodzenia podczas obróbki aluminium można uzyskać, wykorzystując minimalne smarowanie emulsją składającą się z wody i oleju obróbkowego. Jako że aluminium łatwiej odprowadza ciepło niż stal, w niektórych procesach można zastosować także obróbkę „na sucho”.

Z kolei podczas wiercenia czy gwintowania aluminium wielu praktyków sięga po etanol. Alkohol ten ma tę podstawową zaletę, że bardzo dobrze chłodzi aluminium, a jednocześnie w przeciwieństwie do olejów obróbczych nie klei się, dzięki czemu przeciwdziała zbrylaniu się wiórów i ułatwia ich wydmuchiwanie ze strefy obróbczej. To jednak nie wszystko: wióry można także zebrać i wykorzystać jako surowiec w innych procesach obróbczych – i to bez konieczności oczyszczania z pozostałości chłodziw i smarów. Dlatego niektórzy producenci maszyn do obróbki aluminium wyposażają je w systemy chłodzenia, które zamiast mgły olejowej rozpylają mgłę etanolową.

Wysokie prędkości obróbki aluminium

Co ważne, zastosowany w tym procesie alkohol, mimo że łatwopalny, nie zwiększa ryzyka pożaru czy wybuchu. A do tego jest surowcem ekologicznym, bo pozyskiwanym ze źródeł odnawialnych. Wydajne chłodzenie z wykorzystaniem etanolu ma również tę zaletę, że pozwala na generowanie wysokich prędkości obróbki dochodzących do 34 000 obr./min-1. Możliwości takie oferują największe maszyny portalowe sterowane wektorowo, z funkcją obróbki synchronicznej z wysoką częstotliwością.

A jeśli dodatkowo zastosujemy dedykowane frezy z wymiennymi płytkami, nie tylko zmniejszymy wielkość wiórów, zapobiegając ich kumulacji, ale także możemy pięciokrotnie zwiększyć ich objętość w porównaniu z konwencjonalnymi narzędziami – i to zarówno w procesach frezowania pełnego i niepełnego, jak i trochoidalnego.

Obróbka miedzi i jej stopów

Nie tylko aluminium uchodzi za proste w obróbce. Do grupy tej zaliczany jest również inny metal – miedź wraz z ponad 30 bazującymi na niej stopami. Dynamiczny postęp w dziedzinie tworzenia nowych, nieznanych dotąd stopów miedzi zawdzięczamy w dużej mierze zakazowi jej łączenia z ołowiem. Niektóre z nich dopiero niedawno doczekały się kategoryzacji i dokładnej analizy ich parametrów. Podobny rozgardiasz panuje w kwestii parametrów stosowanych w obróbce miedzi: każdy zakład produkcyjny wyznaje w tej materii własną filozofię, co sprawia, że zdania na temat tego, jak obrabiać, a jak nie obrabiać tego metalu, są mocno zróżnicowane.



Czysta miedź ma jednak tę wadę, że choć łatwo skrawalna, jest także ciągliwa, przez co jej obróbka generuje długie wióry, które negatywnie oddziałują na cały proces. Dlatego domieszkuje się ją tellurem (CuTeP) lub siarką (CuSP), które zwiększają łamliwość wiórów, a tym samym ułatwiają skrawanie. Dzięki temu stopy te można obrabiać z wykorzystaniem zautomatyzowanych obrabiarek bez uszczerbku dla właściwości materiału, co z kolei pozytywnie wpływa na cenę jednostkową wykonanych z nich detali.

W procesach frezowania miedzi i jej stopów, w tym mosiądzu, można wykorzystać narzędzia z węglików spiekanych z gatunków N10 do N20 oraz stali szybkotnących HS6-5-2, HS6-525, HS2-918 i HS12-145. Przetworzona z ich wykorzystaniem miedź coraz częściej znajduje zastosowanie nie tylko w pojazdach elektrycznych, ale także w budowie maszyn, a konkretnie: w produkcji precyzyjnych elektrod erodujących.

Różne metody i narzędzia w obróbce miedzi

W procesie frezowania miedzi można zastosować kilka strategii: aby ograniczyć do minimum zużycie narzędzi, zaleca się (tam, gdzie to możliwe) zastosowanie frezowania czołowego. Do obróbki skomplikowanych kształtów wykorzystuje się zwykle frezowanie obwiedniowe, przy czym jeśli powierzchnia materiału jest gładka, można w tym procesie zastosować metodę współbieżną, zaś jeśli na skutek np. odlewania w formie piaskowej wykazuje chropowatości i nierówności, zaleca się ograniczenie prędkości skrawania odpowiednio: o 15% dla narzędzi z węglików spiekanych i o 20% dla stali HSS. Generalnie eksperci skłaniają się jednak ku wykorzystaniu w tych procesach węglików spiekanych.

Na kilka sposobów można także przeprowadzić gwintowanie miedzi: sprawdzi się tutaj zarówno klasyczne borowanie, jak i frezowanie gwintów. Frezowanie ma jednak tę zaletę, że przy zastosowaniu powlekanych frezów gwintowych z węglików spiekanych umożliwia uzyskanie prędkości skrawania rzędu 200–400 m/min przy posuwie na ząb między 0,05 a 0,15 mm. Im większą zaś średnicę ma frez, tym prędkość i posuw mogą być wyższe. Odwrotnie jest w przypadku narzędzi niepowlekanych: brak dodatkowej powłoki sprawia, że konieczne jest ograniczenie prędkości skrawania – i to o dobre 30%. Prędkość tę można natomiast zwiększyć o ¼, jeśli obróbce poddawana jest czysta miedź. Wśród producentów narzędzi z węglików spiekanych przodują firmy niemieckie, takie jak Ceratizit – producent wytrzymałych narzędzi do obróbki miedzi i aluminium, a także Hufschmied Zerspanungssysteme, który w swoich narzędziach do obróbki miedzi stosuje polerowane krawędzie natarcia i powierzchnie przyłożenia zapewniające doskonałą precyzję wymiarową gotowych detali.

W obróbce miedzi można zastosować także narzędzia z diamentu monokrystalicznego i PKD. Pierwszy sprawdzi się w obróbce wykańczającej, drugi umożliwia połączenie obróbki zgrubnej i wykańczającej, co w niektórych przypadkach pozwala przeprowadzić cały proces skrawania w jednym kroku obróbczym.

Obróbka miedzi na sucho i ze środkami smarnymi

Generalnie miedź może być obrabiana zarówno na sucho, jak i z zastosowaniem środków smarno-chłodzących. Media te są niezbędne w przypadku obróbki mechanicznej w obrabiarce, ponieważ jednocześnie smarują ruchome komponenty maszyny. Jeśli ich kluczowym zadaniem ma być efektywne chłodzenie materiału, najlepiej zastosować emulsję, zaś w przypadku intensywnego smarowania – olej obróbczy.

Do smarowania i chłodzenia miedzi nie powinno się natomiast stosować środków zawierających siarkę, a jeśli już – gotowy detal należy bardzo dokładnie oczyścić z jej pozostałości, aby zapobiec wystąpieniu reakcji chemicznych. Dobre efekty przynosi tu także chłodzenie mgłą olejową oraz obróbka z minimalnym chłodzeniem i smarowaniem.

MM Info: Czego nie wiemy o aluminium i miedzi?

Jeszcze w XIX w. cena aluminium znacznie przekraczała cenę złota. Wszystko zmieniło się w 1880 r., kiedy to wynaleziono tańszą metodę jego wytwarzania, co utorowało mu drogę do produkcji seryjnej. W tamtych czasach furorę robiła zastawa aluminiowa: na talerzach z tego metalu jedli m.in. goście cesarza Napoleona III. Ciekawostką może być również fakt, że aluminium ma właściwości paramagnetyczne, jednak generowane przez nie pole elektromagnetyczne jest tak słabe, że nie sposób go zarejestrować gołym okiem. 

Miedź z kolei nie jest tak powszechnie dostępna, jak mogłoby się wydawać: ten metal półszlachetny występuje w skorupie ziemskiej w ilościach zaledwie 0,006% ogólnej masy. Jest lekko toksyczny, co zapewnia mu popularność w medycynie, umożliwiając uzyskanie efekty oligodynamicznego (bakteriobójczego). A mimo to dorosły, zdrowy człowiek mógłby bez szkody dla zdrowia zjadać codziennie 0,4 kg miedzi. Od wielu lat ceny tego surowca dynamicznie rosną, co sprzyja również wzrostowi jego kradzieży. Problem ten dotyka zwłaszcza kolej, która regularnie notuje wielomilionowe straty spowodowane kradzieżą miedzianych kabli uziemiających.

 

Udostępnij:

Drukuj



Peter Königsreuther




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również