アルミニウムは非鉄金属で、地殻で 8.23 番目に多い元素 (1827%) です。XNUMX 年にハンス・オルステッドが初めてアルミニウムを単離しました。鉄金属に比べるとそれほど古いものではありませんが、その強度、耐腐食性、そして何よりも軽量であることから、さまざまな業界で人気を博しています。
リスクの高い環境では、 航空宇宙 の三脚と 自動車 製造においては、精度が最も重要です。1 グラムの重量と正確な寸法が、全体的なパフォーマンスと効率に影響を及ぼします。そのため、アルミニウムは、これらの厳格な基準を満たすために、細心の注意を払った CNC 加工プロセスを経る必要があります。
この詳細なガイドでは、アルミニウム CNC 加工プロセス、加工に適したアルミニウム合金、および CNC 加工アルミニウム部品の主な用途について説明します。
CNC 加工アルミニウム: プロセスと装置
CNC機械加工アルミニウム コンピューター制御の装置 (CNC マシン) を使用して、アルミニウム板を極めて正確に切断および成形することを指します。この目的で使用される一般的なマシンは次のとおりです。
CNCフライス盤
CNCフライス盤 機械は回転切削工具を使用して、ワークピースから材料を切断、成形、除去します。工具ビットは、複数の軸 (X、Y、Z) で移動できる柔軟性があり、目的の形状と寸法を実現します。アルミニウムのフライス加工では、3 軸から 5 軸の CNC が一般的です。
このような機械は、自動車や航空宇宙で必要とされる詳細な表面、スロット、複雑な形状を作成するのに最適です。フライス加工には、回転切削工具 (エンドミル、フェイスミル、ボールカッター) が使用されます。
CNCターニングセンター
In CNC旋盤固定されたワークピースが回転するワークピースに対してスライドし、設計形状に成形されます。この成形は主に、ロッド、シャフト、ファスナーなどの対称的な円筒形のアルミニウム部品を対象としています。シングルポイントの切削工具を使用して面をトリムし、直径を小さくします。
CNCレーザーカッター
CNC レーザー カッターは、高出力の光線 (レーザー) を使用して金属表面を蒸発させ、鋭い切断面を作成します。機械工具とは異なり、レーザー ビームのスポット サイズは髪の毛ほどに細いため、非常に正確で鋭い切断面が得られます。ただし、切断できる厚さには制限があります。
これらのツールは、切断だけでなく、アルミニウムにマーキングや彫刻を施すこともできます。そのため、電子機器やその他の産業におけるマーキング装置に最適です。
ウォーターカッター
ウォータージェット カッターは、研磨粒子を混ぜた高圧水流を使用して材料を切断します。材料に熱ストレスを与えないため、アルミニウムの機械的特性が維持されます。
ウォータージェットは厚いアルミニウム板の切断に使用され、熱による変形を避ける必要がある場合に好まれます。
CNC 部品にアルミニウムを選ぶ理由
アルミニウムは地殻に最も多く存在する金属です。そして、当社の製品ニーズのほとんどを満たす、望ましい特性をすべて備えています。
高い強度重量比
アルミニウムは軽量であることで知られていますが、エンジニアリング材料の中でも最も高い強度対重量比を誇ります。この特性は、強度を犠牲にすることなく重量を減らす必要がある航空宇宙や自動車などの重要な用途で非常に貴重です。
優れた加工性
すべての金属は、機械による何らかの形の切断と成形を必要とします。この点では、アルミニウムは適しています。アルミニウムは柔らかく、簡単に削り取れるため、比較的加工が容易です。また、時間もかからないため、加工コストも削減できます。
耐食性
酸化層の形成により錆びる鉄金属とは異なり、多くのグレードのアルミニウムは本質的に耐腐食性があります。ただし、その傾向はシリーズによって異なります。6061 シリーズは耐腐食性が高く評価されています。一方、銅を含むアルミニウム合金は耐腐食性が低くなります。
電気伝導性
一般的に使用される工業用金属の導電率チャートでは、純粋なアルミニウムは銅よりわずかに下になります。IACSによると、 銅の 導電率は 58 万～62 万 S/m の範囲ですが、純アルミニウムは 35 万～38 万 S/m です。鉄、炭素鋼、ステンレス鋼の値はそれぞれ 10、7、1.5 です。ただし、アルミニウム合金の導電率は低くなります。
陽極酸化の可能性
アルミニウムの陽極酸化処理は、特に耐久性と美観が求められる場合に、独自の利点となります。陽極酸化処理はアルミニウムの耐腐食性を高めるだけでなく、着色も可能にするため、消費者向け製品にメリットをもたらします。
リサイクル性
国際アルミニウム協会によると、これまでに生産されたアルミニウムの 75% が現在も使用されています。さらに、年間約 30 万トンのアルミニウムがリサイクルされており、バージン アルミニウムの生産の必要性が減っています。この高いリサイクル率は、アルミニウムが持続可能な材料として選ばれる理由を裏付けています。
CNC加工用共通アルミシリーズ
国際合金指定システムに従い、すべての金属合金元素は、存在するコア金属と合金を定義する 4 桁の数字で表されます。シリーズ名の後のアルファベットは、表面処理プロセスを表します。
一般的に、アルミニウムには 7 から 1000 までの 7000 つの異なるシリーズがあります。純粋な標準アルミニウムから始まり、合金に移行します。希土類元素を含むグレード 8000 も入手可能ですが、あまり一般的ではありません。
1xxx シリーズ – 純アルミニウム
このシリーズは最も純粋で、99%以上のアルミニウムで構成されています。アルミニウム本来の特性である優れた耐腐食性、高い電気伝導性、熱伝導性をすべて備えています。そのため、化学薬品タンクや配管によく使用されます。
これらの合金の引張強度は 69 ～ 186 MPa です。1xxx シリーズの合金は溶接可能ですが、熱処理はできません。
2xxx シリーズ – Al-銅合金
銅を加えると、機械加工性が向上し、引張強度が 420 MPa まで上がります。主に航空宇宙産業で使用され、さまざまな温度での高い強度が重要になりますが、耐腐食性を高めるためにコーティングが必要になることもよくあります。
3xxx シリーズ – アルマンガン合金
このシリーズは、マンガンの添加により機械的強度を高めています。110 ～ 290 MPa の適度な引張強度を持ち、熱処理も可能です。一般的な用途は、食品包装、調理器具、板金用途です。
4xxx シリーズ – Al-シリコン合金
4000 シリーズはシリコンが含まれているのが特徴で、シリコンによって融点が下がり、溶融状態での流動性が向上するため、鋳造用途に適しています。主な用途は、クラッディング、溶接充填材、建築用押し出し材です。
5xxx シリーズ – Al-マグネシウム合金
主な合金元素であるマグネシウムは、このシリーズに高い強度と優れた耐腐食性をもたらします。この合金はアルカリに対して非常に耐性があり、容易に溶接できるため、海洋用途に最適です。このシリーズのメンバーである合金 5083 は、海水と化学物質への耐性に優れています。
6xxx シリーズ – アルミニウムマグネシウムシリコン合金
このシリーズは、成形性、溶接性、耐腐食性で知られています。必要な特性を得るために、あらゆる熱処理を施すことができます。合金 6061 は非常に人気のある名前で (コスト効率も高い)、電動自転車、ボート、トラックのフレームに使用されています。
7xxx シリーズ – アル亜鉛合金
ラインナップの中で最も強力なこのシリーズは、主に亜鉛で合金化されており、その優れた強度対重量比と耐応力性により、航空宇宙およびスポーツ用品で好まれています。合金は溶接可能ですが、細心の注意が必要です。
CNC 加工用の人気のアルミニウム合金
| アルミニウム合金 | 引張強さ（MPa） **(おおよその値) | 一般的なアプリケーション |
| アルミ2007 | 270-400 | 機械部品、ボルト、リベット、ナット、ネジ、ネジ棒。 |
| アルミ2024 | 250-400 | 航空宇宙構造部品。 |
| アルミ5052 | 170-305 | 海洋環境、自動車の燃料タンク、道路標識。 |
| アルミ5083 | 270-345 | 極低温装置、海洋用途、圧力装置、化学用途、溶接構造。 |
| アルミ5754 | 190-240 | 溶接構造物、床材、漁具、車体、食品加工、リベット。 |
| アルミ6060 | 190 | 建設、食品加工、医療機器、自動車工学。 |
| アルミ6061 | 180 – 270 | 高負荷構造物、足場、鉄道車両、機械部品、汎用用途。 |
| アルミ6063 | 180 | 建築用途、窓枠、ドア枠、屋根 |
| アルミ6082 | 290 | 海洋建設、コンテナ |
| アルミ7075 | 500-572 | 自転車フレーム、ロッククライミング用具、武器、金型製造、高度なエンジニアリングアプリケーション |
** これらはあくまでも概算値です。正確な値は処理プロセスによって異なります。正確な値については製造元にお問い合わせください。
アルミニウムのCNC加工における重要な考慮事項
アルミニウムを使用する場合は、次のいくつかの技術的な点に留意する必要があります。
工具材料
アルミニウムは柔らかいので、超硬工具のような硬い切削工具が必要です。超硬工具では、粒子構造も非常に重要です。そして、その微細構造を実現するのにコバルトの存在が役立ちます。しかし、コバルトがアルミニウムと反応すると、工具にガムが蓄積します。そのため、超硬工具では 2 ～ 20% の最適な比率が好まれます。
それに加えて、コーティングも重要です。ダイヤモンド、二ホウ化チタン (TiB2)、窒化ジルコニウム (ZrN) を使用したミルカッター。
ツールの設計と方向性
エンドミルにはフルートがあり、その数によって加工のしやすさが決まります。推奨されるフルート数は 2 ～ 3 です。フルートが XNUMX つの場合、最適なチップクリアランスが得られ、フルートが XNUMX つの場合、チップクリアランスと工具の強度のバランスが取れます。
ねじれ角と逃げ角も重要です。35° または 40° のねじれ角は荒加工に効果的で、45° の角度は仕上げ加工に適しています。逃げ角は 6° から 10° の範囲にする必要があります。
送り速度とスピード
切削速度とは、切削工具の回転速度を指します。アルミニウム合金の種類に基づいて選択する必要があります。一般的に、構成刃先を回避し、熱の発生を抑えるには、切削速度を上げることが推奨されます。
送り速度は、ツールの前進速度です。この速度は、必要な仕上げによって異なります。荒削りでは 0.15 ～ 2.00 mm/回転の送り速度が使用され、仕上げ削りでは 0.05 ～ 0.20 mm/回転の送り速度が使用されます。
切削液
アルミニウムを乾いた状態で切断すると、エッジに堆積物が形成されて悲惨な結果になります。希釈されていない鉱油を使用し、活性硫黄や塩素を含む液体はアルミニウムにシミを付ける可能性があるため、使用しないでください。
アルミ部品：仕上げ技術
金属の表面は、仕上げを施さないと錆びたり腐食したりしやすくなります。同様に、アルミニウムには保護目的だけでなく美観要素も加える仕上げ技術が施されています。
サンドブラストる
サンドブラストとは、圧縮空気を使用して、微細な砂粒子を高速でアルミニウムの表面に吹き付けることです。このプロセスにより、不純物や残留物が除去されて表面がきれいになり、均一でマットな質感が生まれます。金属をさらに仕上げるための準備や、特定の表面外観を実現するのに役立ちます。
陽極酸化
陽極酸化処理は、アルミニウム部品の表面の自然酸化層を厚くする電気化学処理です。追加された層により、耐腐食性が向上し、表面硬度が増し、アルミニウムの染色が可能になります。
粉体塗装
粉体塗装は、乾燥した粉末をアルミニウムに塗布します。その後、熱で硬化させて薄い層を形成します。この塗装は丈夫で保護性があり、さまざまな色から選択できます。表面仕上げは高品質で、標準の塗装よりも優れています。
アルミニウム加工の課題
アルミニウムは柔らかくて軽量ですが、加工には次のような独特の課題があります。
ガムの蓄積
アルミニウムの融点は低く（660°C）、切断や研削中に発生する摩擦熱により金属が軟化して切削工具に付着し、「ガム化」効果が生じる可能性があります。これを軽減するには、エタノールミストによる継続的な潤滑を併用した硬質カーバイドカッターの使用をお勧めします。
コストの上昇、リスクの上昇
アルミニウムは他の多くの一般的な金属よりも高価であるため、損傷した部品の交換や修理にかかるコストは大幅に高くなります。
汚染リスク
アルミニウムは大気にさらされると酸化層を形成しますが、溶接や機械加工の前にこの酸化層を除去しないと、有害な場合があります。この酸化層により、最終製品に欠陥や多孔性が生じる可能性があります。
アルミニウムCNC加工のコスト見積もり
コストは機械加工において重要な要素であり、特に大規模生産においては重要です。アルミニウム製品のライフサイクルに関わる主なコストは次のとおりです。
- 原材料コスト: アルミニウムの価格は、材料の厚さ、グレード、サイズによって異なります。大まかな見積もりとして、一般的な 6061 アルミニウム合金を検討してください。価格は 12 ポンドあたり 15 ドルと XNUMX ドルです。
- 加工費: 機械の運用コストは、その機能によって異なります。3 軸 CNC 機械の場合、価格は 25 時間あたり 30 ～ 5 ドルです。より高度な 40 軸 CNC 機械の場合、コストは 50 時間あたり XNUMX ～ XNUMX ドルになります。
- ツールコストアルミニウムの加工に使用される超硬工具は、2個あたり約5〜XNUMXドルです。
CNCマシンアルミ部品の用途
アルミニウムは、その優れた特性と加工のしやすさから、業界で最も多く使用されている金属の 1 つです。表 XNUMX は、主要な日常分野におけるアルミニウムの用途を示しています。
| 分類 | 特定のアプリケーション | アルミニウムグレード |
| 自動車 | エンジン部品（ピストン、シリンダー） | 4032、2618 |
| トランスミッションと構造 | 6061、7075 | |
| 航空宇宙産業 | 航空機構造フレーム | 2024、7075 |
| ギアコンポーネント | 7075、2024 | |
| ファスナーと付属品 | 7075、6061 | |
| ディスプレイ・電子機器関連 | 熱管理用ヒートシンク | 6063、1100 |
| 電子機器の筐体 | 5052、6061 | |
| コネクタおよびスイッチ用コンポーネント | 6061、2024 | |
| 食品と包装 | 食品加工用機械部品 | 6061、5052 |
| 包装機械部品 | 6061、5052 | |
| 食品包装用金型 | 3003、6061 |
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