El aluminio, un metal no ferroso, es el tercer elemento más abundante (8.23%) en la corteza terrestre. Hans Orsted fue el primero en aislarlo en 1827. Aunque no es tan antiguo en comparación con los metales ferrosos, ha sido una opción popular en todas las industrias debido a su resistencia, corrosión y, lo más importante, su naturaleza liviana.
En entornos de alta exigencia, como la industria aeroespacial y la automotriz , la precisión es fundamental. Cada gramo y cada dimensión exacta pueden influir en el rendimiento y la eficiencia generales. Por lo tanto, el aluminio debe someterse a meticulosos procesos de mecanizado CNC para cumplir con estos exigentes estándares.
Esta guía detallada explica el proceso de mecanizado CNC de aluminio, las aleaciones de aluminio que son favorables para el mecanizado y las aplicaciones clave de las piezas de aluminio mecanizadas CNC.
Mecanizado CNC de Aluminio: Procesos y Equipos
El mecanizado CNC de aluminio se refiere al uso de equipos computarizados (máquinas CNC) para cortar y dar forma a láminas de aluminio con extrema precisión. Las máquinas más comunes empleadas para este fin son:
Fresadoras CNC
Las fresadoras CNC utilizan una herramienta de corte rotativa para cortar, dar forma y eliminar material de una pieza. La herramienta tiene la flexibilidad de moverse en múltiples ejes (X, Y y Z) para lograr la forma y las dimensiones deseadas. Las CNC de 3 a 5 ejes son comunes para el fresado de aluminio.
Estas máquinas son ideales para crear superficies detalladas, ranuras y formas complejas, las que se requieren en la industria automotriz y aeroespacial. Para las operaciones de fresado se utilizan herramientas de corte rotativas (fresas, fresas frontales y cortadores de bolas).
Centros de torneado CNC
En el torneado CNC , una pieza fija se desliza contra una pieza giratoria, dándole la forma deseada. Este proceso se utiliza principalmente para piezas de aluminio cilíndricas y simétricas, como varillas, ejes y sujetadores. Se emplea una herramienta de corte de un solo punto para recortar la superficie y reducir el diámetro.
Cortadores láser CNC
La cortadora láser CNC utiliza un haz de luz (láser) de alta potencia para vaporizar la superficie del metal y crear un corte nítido. A diferencia de las herramientas mecánicas, el tamaño del punto del rayo láser es muy fino y produce cortes nítidos de alta precisión. Sin embargo, el espesor de corte es limitado.
Además de cortar, estas herramientas pueden marcar y grabar aluminio. Por tanto, las aplicaciones ideales son el marcado de dispositivos en la electrónica y otras industrias.
Cortadores de agua
Una cortadora por chorro de agua utiliza un chorro de agua a alta presión, mezclada con partículas abrasivas, para cortar materiales. No induce estrés térmico en el material, preservando las propiedades mecánicas del aluminio.
El chorro de agua se utiliza para cortar placas de aluminio más gruesas y se prefiere en escenarios donde se debe evitar la distorsión térmica.
¿Por qué elegir aluminio para piezas CNC?
El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre. Y tiene todas las características deseadas que cubren la mayoría de las necesidades de nuestro producto:
Alta relación resistencia-peso
El aluminio es conocido por su naturaleza liviana, pero cuenta con una de las relaciones resistencia-peso más altas entre los materiales de ingeniería. Este atributo es valioso en aplicaciones críticas como la aeroespacial y la automoción, donde es necesario reducir el peso sin comprometer la resistencia.
Gran maquinabilidad
Cada metal requiere algún tipo de corte y forma mediante máquinas. En este aspecto el aluminio se comporta bien. Es suave y relativamente más fácil de mecanizar ya que se desprende fácilmente. Además, lleva menos tiempo, lo que a su vez reduce los costes de mecanizado.
Resistencia a la Corrosión:
A diferencia de los metales ferrosos que se oxidan debido a la formación de una capa de óxido, muchos grados de aluminio son inherentemente resistentes a la corrosión. Sin embargo, esa tendencia varía a lo largo de la serie. La serie 6061 está bien considerada por su resistencia. Mientras que las aleaciones de aluminio que contienen cobre son menos resistentes a la corrosión.
Conductividad eléctrica
En la tabla de conductividad de los metales industriales de uso común, el aluminio puro se sitúa justo por debajo del cobre. Según la IACS, la conductividad del cobre oscila entre 58 y 62 millones de S/m, mientras que la del aluminio puro es de 35 a 38 millones de S/m. Los valores del hierro, el acero al carbono y el acero inoxidable son 10, 7 y 1.5 respectivamente. Sin embargo, las aleaciones de aluminio son menos conductoras.
Potencial de anodización
La anodización del aluminio es una ventaja única, particularmente cuando se requiere durabilidad y estética. La anodización no sólo mejora la resistencia a la corrosión del aluminio sino que también permite la coloración, lo que puede ser beneficioso para los productos de consumo.
Reciclabilidad
Según el Instituto Internacional del Aluminio, el 75 % de todo el aluminio producido a lo largo de la historia sigue utilizándose en la actualidad. Además, se reciclan anualmente alrededor de 30 millones de toneladas de aluminio, lo que reduce la necesidad de producir aluminio virgen. Esta alta tasa de reciclaje subraya el papel del aluminio como material sostenible.
Serie de aluminio común para mecanizado CNC
Según el sistema internacional de designación de aleaciones, todos los elementos de aleaciones metálicas están representados por 4 dígitos que definen el metal central y las aleaciones presentes. Un alfabeto después del nombre de la serie representa el proceso de tratamiento de superficies.
Comúnmente, el aluminio viene en 7 series diferentes, desde 1000 hasta 7000. Comienza con aluminio estándar puro y luego cambia hacia aleaciones. También está disponible un grado 8000 con elementos de tierras raras, pero es menos común.
Serie 1xxx – Aluminio puro
Esta serie es la más pura y comprende 99% o más de aluminio. Tiene todas las características inherentes del Aluminio; Excelente resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica y térmica. Es por eso que sus aplicaciones comunes son tanques y tuberías de químicos.
La resistencia a la tracción de estas aleaciones oscila entre 69 y 186 MPa. Las aleaciones de la serie 1xxx se pueden soldar pero no son tratables térmicamente.
Serie 2xxx – Aleaciones de Al-Cobre
La adición de cobre mejora el aspecto del mecanizado y la resistencia a la tracción, llevándola hasta 420 MPa. Se utiliza predominantemente en el sector aeroespacial, donde su alta resistencia a diversas temperaturas es crucial, aunque a menudo requiere recubrimientos para una mejor resistencia a la corrosión.
Serie 3xxx – Aleaciones de Al-Manganeso
Esta serie mejora la resistencia mecánica mediante la adición de manganeso. Tienen una resistencia a la tracción moderada entre 110 y 290 MPa y también se pueden tratar en caliente. Las aplicaciones comunes son envases de alimentos, utensilios de cocina y aplicaciones de chapa metálica.
Serie 4xxx: aleación de al-silicio
La serie 4000 se caracteriza por la inclusión de silicio, que reduce los puntos de fusión y mejora la fluidez en estados fundidos, lo que la hace más adecuada para aplicaciones de fundición. Sus principales aplicaciones son revestimientos, rellenos de soldadura y extrusiones arquitectónicas.
Serie 5xxx: aleación de al-magnesio
El magnesio, el principal elemento de aleación, confiere alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión a esta serie. Las aleaciones son bastante resistentes a los álcalis y fácilmente soldables, lo que las hace perfectas para aplicaciones marinas. El miembro de la serie, la aleación 5083, destaca por su resistencia al agua de mar y a la exposición química.
Serie 6xxx: aleación de al-magnesio-silicio
Esta serie es conocida por su conformabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión. Pueden sufrir cualquier tratamiento térmico para conseguir las características deseadas. La aleación 6061 es un nombre bastante popular (y también rentable) que se utiliza para bicicletas eléctricas, barcos y cuadros de camiones.
Serie 7xxx: aleación de Al-Zinc
Esta serie, la más fuerte de la línea, está aleada principalmente con zinc y se prefiere en artículos aeroespaciales y deportivos por su excepcional relación resistencia-peso y resistencia al estrés. Las aleaciones se pueden soldar pero se requiere extrema precaución.
Aleaciones de aluminio populares para mecanizado CNC
| Aleaciones de aluminio | Resistencia a la tracción (MPa) **(Valores aproximados) | Aplicaciones comunes |
| Aluminio 2007 | 270-400 | Piezas de máquinas, pernos, remaches, tuercas, tornillos, barras roscadas. |
| Aluminio 2024 | 250- 400 | Componentes estructurales aeroespaciales. |
| Aluminio 5052 | 170-305 | Ambientes marinos, tanques de combustible para automóviles, señales de tránsito. |
| Aluminio 5083 | 270-345 | Equipos criogénicos, aplicaciones marinas, equipos a presión, aplicaciones químicas, construcciones soldadas. |
| Aluminio 5754 | 190-240 | Estructuras soldadas, pisos, equipos de pesca, carrocerías de vehículos, procesamiento de alimentos, remaches. |
| Aluminio 6060 | 190 | Construcción, procesamiento de alimentos, equipos médicos, ingeniería automotriz. |
| Aluminio 6061 | 180 – 270 | Estructuras altamente cargadas, andamios, vagones de ferrocarril, piezas de máquinas, aplicaciones de uso general. |
| Aluminio 6063 | 180 | Aplicaciones arquitectónicas, marcos de ventanas, marcos de puertas, techos. |
| Aluminio 6082 | 290 | Construcción offshore, contenedores |
| Aluminio 7075 | 500-572 | Cuadros de bicicletas, equipos de escalada en roca, armamento, fabricación de herramientas de moldes, aplicaciones de ingeniería avanzada |
**Estos son sólo valores aproximados. Los exactos dependen del proceso de tratamiento; Consulte al fabricante para obtener valores precisos.
Consideraciones clave al mecanizar aluminio con CNC
Al utilizar aluminio, se deben tener en cuenta estos pocos detalles técnicos:
Material de la herramienta
El aluminio es blando, por lo que requiere una herramienta de corte duro como el carburo. En las herramientas de metal duro, la estructura del grano también es de suma importancia. Y es la presencia de cobalto la que ayuda a lograr esa fina estructura. Sin embargo, el cobalto, cuando reacciona con el aluminio, provoca una acumulación de goma en la herramienta. Por tanto, se prefiere una proporción óptima del 2 al 20% en la herramienta de carburo.
Además, el revestimiento también importa. Fresas con diamante, diboruro de titanio (TiB2) y nitruro de circonio (ZrN).
Diseño y orientación de herramientas.
Las fresas tienen ranuras; su número determina la facilidad de operación de mecanizado. La recomendación es 2-3 flautas; dos canales ofrecen una óptima eliminación de virutas, mientras que tres canales equilibran la eliminación de virutas con la resistencia de la herramienta.
El ángulo de hélice y el ángulo libre también son críticos: un ángulo de hélice de 35° o 40° es efectivo para desbaste, y un ángulo de 45° es mejor para acabado. Los ángulos libres deben estar entre 6° y 10°.
Tasa de avance y velocidad
La velocidad de corte se refiere a la velocidad de rotación de la herramienta de corte. Debe elegirse en función del tipo de aleación de aluminio. En general, se recomienda una velocidad de corte más alta para evitar acumulaciones en los bordes y reducir la generación de calor.
La velocidad de avance es la velocidad de avance de la herramienta. Estas tarifas difieren según el acabado requerido; Los cortes preliminares pueden utilizar un avance de 0.15 a 2.00 mm/rev, mientras que los cortes de acabado pueden utilizar 0.05 a 0.20 mm/rev.
Fluido de corte
Cortar aluminio en seco es desastroso debido a la formación de bordes de acumulación. Utilice aceites minerales sin diluir y evite cualquier líquido que contenga azufre activo o cloro, ya que pueden manchar el aluminio.
Piezas de aluminio: técnicas de acabado
Una superficie de metal es propensa a oxidarse o corroerse si se deja sin terminar. Asimismo, el aluminio se somete a algunas técnicas de acabado que solo sirven para fines protectores pero también añaden un elemento estético.
Chorro de arenainsights
El chorro de arena consiste en lanzar partículas finas de arena a altas velocidades sobre la superficie de aluminio utilizando aire comprimido. Este proceso limpia la superficie eliminando impurezas o residuos y crea una textura uniforme y mate. Es útil para preparar el metal para un acabado posterior o para lograr un aspecto superficial específico.
Anodizado
La anodización es un proceso electroquímico que espesa la capa de óxido natural en la superficie de las piezas de aluminio. La capa agregada mejora la resistencia a la corrosión, aumenta la dureza de la superficie y permite teñir el aluminio.
Pintura en Polvo
El recubrimiento en polvo aplica un polvo seco sobre el aluminio. Luego se cura con calor para formar una capa fina. Este recubrimiento es resistente, protector y está disponible en muchos colores. El acabado superficial es de alta calidad y mejor que la pintura estándar.
Desafíos en el mecanizado de aluminio
Aunque el aluminio es blando y liviano, su mecanizado presenta algunos desafíos únicos:
Acumulación de encías
El aluminio tiene un punto de fusión bajo (660°C); el calor por fricción generado durante el corte o el esmerilado puede hacer que el metal se ablande y se adhiera a la herramienta de corte, creando un efecto de "engomado". Para mitigar esto, es recomendable utilizar fresas de carburo duro acompañadas de una lubricación continua mediante una niebla de etanol.
Mayores costos Mayores riesgos
El aluminio es más caro que muchos otros metales comunes, por lo que los costos asociados con el reemplazo/reparación de piezas dañadas son significativamente más altos.
Riesgo de contaminación
Cuando se expone a la atmósfera, el aluminio forma una capa de óxido que puede ser perjudicial si no se elimina antes de soldarlo o mecanizarlo. Esta capa de óxido puede provocar imperfecciones y porosidad en el producto final.
Estimaciones de costos para el mecanizado CNC de aluminio
El costo es un factor crítico en el mecanizado, particularmente para la producción a gran escala. A continuación se detallan los principales costos involucrados en el ciclo de vida de un producto de aluminio:
- Costo de la materia prima: El precio del aluminio varía según el grosor, la calidad y el tamaño del material. Para obtener una estimación aproximada, considere la aleación de aluminio 6061 común. Tiene un precio de $12 y $15 por libra.
- Costo de mecanizado: Los costos operativos de las máquinas difieren según sus capacidades. Para una máquina CNC de 3 ejes, el precio oscila entre 25 y 30 dólares la hora. Para las máquinas CNC de 5 ejes más avanzadas, el coste oscila entre 40 y 50 dólares por hora.
- Costo de la herramienta: La herramienta de carburo utilizada para mecanizar aluminio cuesta aproximadamente entre 2 y 5 dólares por pieza.
Aplicaciones de piezas de aluminio de máquinas CNC
El aluminio es uno de los metales más utilizados en la industria debido a sus favorables características y facilidad de mecanizado. La Tabla 1 enumera las aplicaciones del aluminio en los principales sectores cotidianos.
| Sector | Aplicaciones específicas | Grados de aluminio |
| Motorium | Componentes del motor (pistones, cilindros) | de 4032 |
| Transmisión y estructural. | de 6061 | |
| Aeroespacial | Marcos estructurales de aeronaves | de 2024 |
| Componentes de engranajes | de 7075 | |
| Sujetadores y accesorios | de 7075 | |
| Electrónica | Disipadores de calor para gestión térmica. | de 6063 |
| Cajas para dispositivos electrónicos | de 5052 | |
| Componentes para conectores e interruptores. | de 6061 | |
| Alimentos y Envases | Componentes de maquinaria para el procesamiento de alimentos. | de 6061 |
| Piezas de máquinas de embalaje | de 6061 | |
| Moldes para envasado de alimentos. | de 3003 |
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