Фрезерование алюминия на ЧПУ: фрезы, покрытия, нарост, режимы и тонкие стенки

Почему алюминий режется легко, но капризно

Sandvik Coromant относит алюминиевые сплавы к группе ISO N. Удельная сила резания у них, по Sandvik, 350–700 Н/мм² — для сравнения, у титана 1300–1400 Н/мм². Поэтому скорость и съём обычно ограничивает станок, а не материал.

Трудность в другом. Чистый алюминий вязкий и липнет к кромке, поэтому нужны острые кромки и высокая скорость. По Sandvik, при фрезеровании алюминия главный вид износа — нарост и размазывание металла по кромке. Отсюда заусенцы и плохая поверхность, а стойкость инструмента определяет не износ по задней поверхности, а момент, когда заусенец или шероховатость выходят за допуск.

Состояние сплава тоже влияет: мягкий отожжённый металл налипает сильнее упрочнённого. Об этом и о марках — в статье «Алюминиевые сплавы АМг, Д16, АД31».

Фреза: зубья, канавки, геометрия

Алюминий даёт крупную стружку, и ей нужно место. Harvey Performance поясняет: чем больше зубьев, тем меньше каждая канавка, и на высоких оборотах стружка перестаёт уходить. Поэтому концевые фрезы для алюминия делают с 2 или 3 зубьями. Двузубые — традиционный выбор, трёхзубые хорошо работают на чистовых проходах, а при правильных режимах — и на черновых.

Что ещё отличает фрезу для алюминия:

• Острая кромка и положительная геометрия. Sandvik рекомендует позитивные пластины с острой кромкой; ISCAR говорит о подобранных передних и задних углах.
• Полированная передняя поверхность. ISCAR выделяет полированные передние поверхности со стружколомом как средство против нароста; у PCD-пластин Sandvik кромка острая и полированная.
• Угол наклона винтовой канавки. Harvey: 35° или 40° — для черновой обработки и пазов, 45° — для чистовой и высокопроизводительных траекторий.

Покрытия: без покрытия, ZrN, TiB2, алмаз

Выбор зависит от того, насколько сплав абразивен:

Все перечисленные покрытия Harvey не предназначены для чёрных металлов — фрезу для алюминия не стоит «добивать» на стали.

Высокие скорости: предел ставит шпиндель

Sandvik отмечает, что в алюминии рост скорости резания обычно улучшает результат и не снижает стойкость. Harvey для деформируемых сплавов 6061 и 7075 даёт диапазон 800–1500 SFM, то есть примерно 244–457 м/мин. На фрезе малого диаметра это десятки тысяч оборотов — больше, чем может шпиндель большинства универсальных станков.

Второе ограничение — балансировка. Сила от дисбаланса растёт с квадратом угловой скорости: Sandvik приводит формулу F = U · ω². Выше 20 000 об/мин Sandvik считает сбалансированный инструмент обязательным и советует оценивать допустимый дисбаланс по ISO 16084 — через нагрузку на подшипники шпинделя, а не только по классу G. У корпусных фрез, кроме того, есть предельные обороты, указанные производителем, — их превышать нельзя.

Пример: пересчёт под шпиндель 8000 об/мин

Фреза D = 10 мм, z = 3. Допустим, по каталогу выбрали vc = 400 м/мин и fz = 0,05 мм (значения для примера). Шпиндель — до 8000 об/мин.

1. Нужные обороты: n = 1000 · 400 / (π · 10) ≈ 12 732 об/мин — шпиндель не даст.
2. Фактическая скорость на 8000 об/мин: vc = π · 10 · 8000 / 1000 ≈ 251 м/мин. Это всё ещё в диапазоне Harvey для 6061 и 7075.
3. Подачу на зуб оставляем: vf = 0,05 · 3 · 8000 = 1200 мм/мин.

Частая ошибка — оставить минутную подачу из расчёта на полные обороты: 0,05 · 3 · 12 732 ≈ 1910 мм/мин. На 8000 об/мин это fz = 1910 / (3 · 8000) ≈ 0,08 мм — в 1,6 раза больше выбранной. Если деталь позволяет, лучше взять фрезу большего диаметра: D = 16 мм на тех же 8000 об/мин даёт vc ≈ 402 м/мин. Пересчитать можно в калькуляторе режимов резания.

Для черновой обработки узкой полосой не забудьте про утонение стружки: при ширине резания меньше половины диаметра подачу на зуб поднимают — см. статью «Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование». Sandvik рекомендует для алюминия наибольшую толщину стружки 0,10–0,20 мм: слишком тонкая стружка даёт заусенцы.

СОЖ, туман и отвод стружки

Черновое фрезерование Sandvik в общем случае советует вести всухую, чтобы не было термоударов кромки. Алюминий — исключение: здесь СОЖ нужна всегда, чтобы металл не размазывался по кромке и поверхность была чище. Концентрацию эмульсии Sandvik связывает с кремнием:

Масляный туман (MQL) — несколько миллилитров масла в час — Sandvik описывает как способ помочь отводу стружки из глубоких полостей без полива. ISCAR предлагает для алюминия и подачу под высоким давлением через каналы инструмента, и MQL. Что выбрать, решают по стружке: в глубоком кармане главное, чтобы стружка ушла и не попала под зуб повторно. Повторно перерезанная стружка налипает на кромку и рвёт стенку.

Тонкие стенки

Sandvik рекомендует для тонких стенок высокоскоростной подход: малые ap и ae и высокую скорость. Зуб короче в контакте, импульс силы и отжим стенки меньше. Фрезеровать — попутно, на чистовую оставлять по 0,2–1,0 мм с каждой стороны. Порядок проходов зависит от отношения высоты к толщине:

• до 15 : 1 — одну сторону проходят зигзагом без перекрытия, потом другую;
• до 30 : 1 — стороны чередуют по уровням сверху вниз или ведут с перекрытием, чтобы стенку поддерживал ещё не снятый металл;
• больше 30 : 1 — «ёлочка»: стенку доводят до размера ступенями, тонкая верхняя часть опирается на более толстую нижнюю.

Помогает и геометрия инструмента: Sandvik отмечает, что фреза с углом в плане 90° направляет силу в основном радиально, поэтому её выбирают для тонкостенных деталей. Как закрепить такую заготовку без деформации — в статье «Закрепление заготовки».

Литейные сплавы с кремнием

Кремний плохо растворяется в алюминии и работает как абразив. По Sandvik Coromant, до 7–8 % кремния сплав режут мелкозернистым твёрдым сплавом без покрытия, выше — нужен PCD, а сплавы с кремнием больше 12 % очень абразивны. Для ориентира: по ГОСТ 1583-93 кремния в АК7ч — 6,0–8,0 %, в АК9ч — 8–10,5 %, в АК12 — 10–13 %.

Под анодирование: что важно от фрезеровки

Aluminum Anodizers Council объясняет: анодный слой прозрачный или полупрозрачный и повторяет рельеф поверхности. Следы фрезы, риски и дефекты анодирование не скрывает. Поэтому на видимых поверхностях:

• не оставляйте ступеньки между проходами и следы остановки фрезы;
• указывайте в заказе нужный вид поверхности и шероховатость — от этого зависит, хватит ли чистового прохода или нужна шлифовка;
• если нужен ровный матовый вид, закладывайте механическую подготовку — пескоструйную или дробеструйную, её делают до анодирования.

Сплав тоже важен. По AAC, сплавы серии 2xxx (к ним относится Д16) с ростом меди анодируются хуже и дают более мягкий слой; 6061 (аналог АД33) — любимый сплав механических цехов, в том числе под твёрдое анодирование; литейные сплавы с большим содержанием кремния анодируются плохо. Подробнее о покрытиях — в статье «Цинкование, порошковая окраска, анодирование».