비철 금속인 알루미늄은 지각에서 세 번째로 풍부한 원소(8.23%)입니다. 한스 오르스테드가 1827년에 처음으로 이를 분리했습니다. 철 금속에 비하면 그렇게 오래되지는 않았지만 강도, 부식성, 그리고 가장 중요한 경량성 때문에 산업 전반에 걸쳐 인기 있는 선택이었습니다.
다음과 같은 위험이 큰 환경에서 항공 우주 자동차 제조, 정밀성이 가장 중요합니다. 모든 그램과 정밀한 치수는 전반적인 성능과 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 알루미늄은 이러한 엄격한 표준을 충족하기 위해 세심한 CNC 가공 공정을 거쳐야 합니다.
이 자세한 가이드에서는 알루미늄 CNC 가공 공정, 가공에 적합한 알루미늄 합금, CNC 가공 알루미늄 부품의 주요 응용 분야를 설명합니다.
CNC 가공 알루미늄: 공정 및 장비
CNC 가공 알루미늄 컴퓨터화된 장비(CNC 기계)를 사용하여 알루미늄 시트를 극도로 정밀하게 절단하고 성형하는 것을 말합니다. 이 목적으로 사용되는 일반적인 기계는 다음과 같습니다.
CNC 밀링 머신
CNC 밀링 기계는 회전 절삭 공구를 사용하여 작업물에서 재료를 절단, 성형 및 제거합니다. 공구 비트는 여러 축(X, Y 및 Z)으로 이동하여 원하는 모양과 치수를 얻을 수 있는 유연성을 가지고 있습니다. 3~5축 CNC는 알루미늄 밀링에 일반적입니다.
이러한 기계는 자동차 및 항공우주에 필요한 세부적인 표면, 슬롯 및 복잡한 모양을 만드는 데 이상적입니다. 회전 절삭 공구(엔드밀, 페이스밀 및 볼 커터)는 밀링 작업에 사용됩니다.
CNC 터닝 센터
In CNC 터닝, 고정된 작업물이 회전하는 작업물에 대해 미끄러지면서 설계 모양으로 성형됩니다. 이 성형은 주로 막대, 샤프트 및 패스너와 같은 대칭적이고 원통형 알루미늄 부품에 사용됩니다. 단일 지점 절단 도구는 면을 트리밍하고 직경을 줄이는 데 사용됩니다.
CNC 레이저 커터
CNC 레이저 커터는 고출력 광선(레이저)을 사용하여 금속 표면을 증발시키고 날카로운 절단을 만듭니다. 기계 도구와 달리 레이저 빔의 스팟 크기는 머리카락만큼 얇고 매우 정밀한 날카로운 절단을 만들어냅니다. 그러나 절단 두께는 제한적입니다.
절단 외에도 이러한 도구는 알루미늄을 표시하고 조각할 수 있습니다. 따라서 이상적인 응용 분야는 전자 및 기타 산업의 표시 장치입니다.
물 절단기
워터젯 커터는 연마 입자와 혼합된 고압의 물 흐름을 사용하여 재료를 절단합니다. 재료에 열 응력을 유발하지 않아 알루미늄의 기계적 특성을 보존합니다.
워터젯은 두꺼운 알루미늄 판을 절단하는 데 사용되며 열 변형을 방지해야 하는 경우에 선호됩니다.
CNC 부품에 알루미늄을 선택하는 이유는 무엇입니까?
알루미늄은 지구 지각에서 가장 풍부한 금속입니다. 그리고 그것은 우리의 제품 요구 사항 대부분을 충족하는 모든 바람직한 특성을 가지고 있습니다:
높은 강도 대 무게 비율
알루미늄은 가벼운 특성으로 유명하지만 엔지니어링 소재 중에서 가장 높은 강도 대 중량 비율을 자랑합니다. 이 특성은 강도를 손상시키지 않으면서 무게를 줄여야 하는 항공우주 및 자동차와 같은 중요한 응용 분야에서 귀중합니다.
뛰어난 가공성
모든 금속은 기계를 통한 어떤 형태의 절단 및 성형이 필요합니다. 이 측면에서 알루미늄은 잘 작동합니다. 부드럽고 쉽게 쪼개지기 때문에 기계 가공이 비교적 쉽습니다. 또한 시간이 덜 걸리므로 가공 비용이 줄어듭니다.
부식 저항
산화막 형성으로 인해 녹이 슬어지는 철 금속과 달리 많은 등급의 알루미늄은 본질적으로 부식 방지성이 있습니다. 그러나 이러한 추세는 시리즈마다 다릅니다. 6061 시리즈는 내식성으로 좋은 평가를 받고 있습니다. 반면 구리를 함유한 알루미늄 합금은 내식성이 낮습니다.
전기 전도도
일반적으로 사용되는 산업용 금속의 전도도 차트에서 순수 알루미늄은 구리보다 약간 낮습니다. IACS에 따르면, 구리 전도도는 58~62만 S/m 범위이고, 순수 알루미늄은 35~38만 S/m입니다. 철, 탄소강, 스테인리스강 값은 각각 10, 7, 1.5입니다. 그러나 알루미늄 합금은 전도도가 낮습니다.
양극산화 가능성
알루미늄의 양극산화는 특히 내구성과 미학이 필요할 때 독특한 이점입니다. 양극산화는 알루미늄의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 소비자 제품에 유익할 수 있는 착색을 가능하게 합니다.
재활용 성
국제 알루미늄 연구소에 따르면, 지금까지 생산된 모든 알루미늄의 75%가 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 게다가 매년 약 30천만 톤의 알루미늄이 재활용되어 순수 알루미늄 생산의 필요성이 줄어듭니다. 이러한 높은 재활용률은 알루미늄이 지속 가능한 재료 선택으로서의 역할을 강조합니다.
CNC 가공용 일반 알루미늄 시리즈
국제 합금 지정 시스템에 따르면 모든 금속 합금 원소는 핵심 금속과 존재하는 합금을 정의하는 4자리 숫자로 표현됩니다. 시리즈 이름 뒤의 알파벳은 표면 처리 공정을 나타냅니다.
일반적으로 알루미늄은 7에서 1000까지 7000가지 시리즈로 제공됩니다. 순수한 표준 알루미늄으로 시작하여 합금으로 전환됩니다. 희토류 원소가 포함된 8000 등급도 있지만 덜 일반적입니다.
1xxx 시리즈 – 순수 알루미늄
이 시리즈는 가장 순수하며 99% 이상의 알루미늄으로 구성되어 있습니다. 알루미늄의 모든 고유한 특성, 즉 뛰어난 내식성과 높은 전기 및 열 전도성을 가지고 있습니다. 그래서 일반적인 용도는 화학 탱크와 배관입니다.
이들 합금의 인장 강도는 69~186 MPa 사이입니다. 1xxx 시리즈 합금은 용접이 가능하지만 열처리는 불가능합니다.
2xxx 시리즈 – Al-Copper 합금
구리를 추가하면 가공 측면과 인장 강도가 개선되어 420MPa까지 올라갑니다. 주로 항공우주 분야에서 사용되며 다양한 온도에서 높은 강도가 필수적이지만 더 나은 내식성을 위해 코팅이 필요한 경우가 많습니다.
3xxx 시리즈 – Al-망간 합금
이 시리즈는 망간을 첨가하여 기계적 강도를 향상시킵니다. 110~290MPa 사이의 적당한 인장 강도를 가지고 있으며 열처리도 가능합니다. 일반적인 응용 분야는 식품 포장, 조리기구 및 판금 응용 분야입니다.
4xxx 시리즈 – Al-실리콘 합금
4000 시리즈는 실리콘을 포함하는 것이 특징이며, 이는 용융점을 낮추고 용융 상태에서 유동성을 개선하여 주조 응용 분야에 더 적합합니다. 주요 응용 분야는 클래딩, 용접 필러 및 건축 압출입니다.
5xxx 시리즈 – Al-Magnesium 합금
주요 합금 원소인 마그네슘은 이 시리즈에 높은 강도와 뛰어난 내식성을 제공합니다. 합금은 알칼리에 상당히 강하고 쉽게 용접할 수 있어 해양 응용 분야에 적합합니다. 이 시리즈 멤버인 합금 5083은 해수와 화학 물질 노출에 대한 내성으로 유명합니다.
6xxx 시리즈 – Al-Magnesium-Silicon 합금
이 시리즈는 성형성, 용접성, 내식성으로 유명합니다. 원하는 특성을 얻기 위해 열처리를 거칠 수 있습니다. 합금 6061은 꽤 인기 있는 이름(비용 효율적이기도 함)으로, 전자 자전거, 보트, 트럭 프레임에 사용됩니다.
7xxx 시리즈 – Al-Zinc 합금
이 시리즈는 라인업에서 가장 강력한데, 주로 아연으로 합금화되어 있으며, 뛰어난 강도 대 중량 비율과 응력 저항성으로 항공우주 및 스포츠 용품에서 선호됩니다. 합금은 용접이 가능하지만 극도의 주의가 필요합니다.
CNC 가공을 위한 인기 있는 알루미늄 합금
| 알루미늄 합금 | 인장 강도 (MPa) **(대략적인 값) | 공통 응용 프로그램 |
| 알루미늄 2007 | 270-400 | 기계 부품, 볼트, 리벳, 너트, 나사, 나사봉. |
| 알루미늄 2024 | 250 - 400 | 항공우주 구조 부품. |
| 알루미늄 5052 | 170-305 | 해양 환경, 자동차 연료 탱크, 도로 표지판. |
| 알루미늄 5083 | 270-345 | 극저온 장비, 해양 응용 분야, 압력 장비, 화학 응용 분야, 용접 구조. |
| 알루미늄 5754 | 190-240 | 용접 구조물, 바닥재, 낚시 장비, 차량 차체, 식품 가공, 리벳. |
| 알루미늄 6060 | 190 | 건설, 식품 가공, 의료 장비, 자동차 공학. |
| 알루미늄 6061 | 180 – 270 | 고하중 구조물, 비계, 철도 차량, 기계 부품, 일반 용도의 응용 분야. |
| 알루미늄 6063 | 180 | 건축용 응용 프로그램, 창틀, 도어 프레임, 지붕 |
| 알루미늄 6082 | 290 | 해상건설, 컨테이너 |
| 알루미늄 7075 | 500-572 | 자전거 프레임, 암벽등반 장비, 무기, 금형 도구 제조, 첨단 엔지니어링 응용 분야 |
** 이는 대략적인 값입니다. 정확한 값은 처리 과정에 따라 달라집니다. 정확한 값은 제조업체에 문의하십시오.
알루미늄 CNC 가공 시 주요 고려 사항
알루미늄을 사용할 때 다음과 같은 몇 가지 기술적 사항을 염두에 두어야 합니다.
도구 재료
알루미늄은 부드럽기 때문에 카바이드와 같은 단단한 절삭 공구가 필요합니다. 카바이드 공구에서는 입자 구조도 매우 중요합니다. 그리고 코발트의 존재는 그 미세 구조를 달성하는 데 도움이 됩니다. 그러나 코발트는 알루미늄과 반응할 때 공구에 검이 쌓이게 됩니다. 따라서 카바이드 공구에서는 2~20%의 최적 비율이 선호됩니다.
그 외에도 코팅도 중요합니다. 다이아몬드, 티타늄 디보라이드(TiB2), 지르코늄 질화물(ZrN)을 사용한 밀 커터.
도구 설계 및 방향
엔드밀에는 플루트가 있습니다. 플루트의 개수는 가공 작업의 용이성을 결정합니다. 권장 사항은 2-3개의 플루트입니다. 플루트 XNUMX개는 최적의 칩 클리어런스를 제공하는 반면 플루트 XNUMX개는 칩 클리어런스와 공구 강도의 균형을 맞춥니다.
헬릭스 각도와 클리어런스 각도도 중요합니다. 35° 또는 40° 헬릭스 각도는 러핑에 효과적이고 45° 각도는 마무리에 더 좋습니다. 클리어런스 각도는 6°에서 10° 사이여야 합니다.
이송 속도 및 속도
절삭 속도는 절삭 공구의 회전 속도를 말합니다. 알루미늄 합금의 종류에 따라 선택해야 합니다. 일반적으로, 쌓인 모서리를 피하고 열 발생을 줄이기 위해 더 높은 절삭 속도가 권장됩니다.
이송 속도는 공구의 진행 속도입니다. 이러한 속도는 필요한 마무리에 따라 다릅니다. 거친 절단은 0.15~2.00mm/rev의 이송을 사용하는 반면 마무리 절단은 0.05~0.20mm/rev를 사용할 수 있습니다.
절삭유
알루미늄을 건조하게 자르면 빌드업 에지가 형성되어 재앙이 됩니다. 희석되지 않은 미네랄 오일을 사용하고 활성 유황이나 염소가 포함된 액체는 피하십시오. 알루미늄에 얼룩이 생길 수 있습니다.
알루미늄 부품: 마무리 기술
금속 표면은 미완성 상태로 두면 녹슬거나 부식되기 쉽습니다. 마찬가지로 알루미늄은 보호 목적만 충족하지만 미적 요소도 추가하는 몇 가지 마감 기술을 거칩니다.
모래 분사ING
샌드블라스팅은 압축 공기를 사용하여 알루미늄 표면에 미세한 모래 입자를 고속으로 분사하는 것입니다. 이 공정은 불순물이나 잔여물을 제거하여 표면을 청소하고 균일하고 무광택의 질감을 만듭니다. 추가 마무리를 위해 금속을 준비하거나 특정 표면 모양을 얻는 데 유용합니다.
아노다이징 처리
양극산화는 알루미늄 부품 표면의 자연 산화층을 두껍게 하는 전기화학적 공정입니다. 추가된 층은 내식성을 개선하고, 표면 경도를 높이며, 알루미늄 염색을 가능하게 합니다.
분말 코팅
파우더 코팅은 알루미늄에 건조 파우더를 도포합니다. 그런 다음 열에 경화되어 얇은 층을 형성합니다. 이 코팅은 튼튼하고 보호적이며 다양한 색상으로 제공됩니다. 표면 마감은 고품질이며 표준 페인트보다 우수합니다.
알루미늄 가공의 과제
알루미늄은 부드럽고 가볍지만 이를 가공하는 데는 몇 가지 고유한 과제가 있습니다.
잇몸이 쌓이다
알루미늄은 낮은 녹는점(660°C)을 가지고 있습니다. 절단 또는 연삭 중에 발생하는 마찰열로 인해 금속이 부드러워지고 절단 도구에 달라붙어 "끈적거리는" 효과가 발생할 수 있습니다. 이를 완화하려면 에탄올 미스트로 지속적인 윤활을 동반한 경질 카바이드 커터를 사용하는 것이 좋습니다.
더 높은 비용, 더 높은 위험
알루미늄은 다른 일반 금속보다 비싸기 때문에 손상된 부품을 교체하거나 수리하는 데 드는 비용이 훨씬 더 높습니다.
오염 위험
알루미늄은 대기에 노출되면 산화층을 형성하는데, 이 산화층은 용접이나 가공 전에 제거하지 않으면 해로울 수 있습니다. 이 산화층은 최종 제품에 결함과 기공을 초래할 수 있습니다.
알루미늄 CNC 가공 비용 견적
비용은 가공, 특히 대규모 생산에 있어 중요한 요소입니다. 알루미늄 제품의 수명 주기에 관련된 주요 비용은 다음과 같습니다.
- 원료 비용: 알루미늄의 가격은 재료의 두께, 등급, 크기에 따라 다릅니다. 대략적인 추정치를 위해 일반적인 6061 알루미늄 합금을 고려하십시오. 가격은 파운드당 $12와 $15입니다.
- 가공 비용: 기계의 운영 비용은 기능에 따라 다릅니다. 3축 CNC 기계의 경우 가격은 시간당 $25에서 $30 사이입니다. 더 진보된 5축 CNC 기계의 경우 비용은 시간당 $40에서 $50 사이입니다.
- 도구 비용: 알루미늄 가공에 사용되는 초경 공구의 가격은 개당 약 2~5달러입니다.
CNC 기계 알루미늄 부품의 응용 분야
알루미늄은 유리한 특성과 가공의 용이성으로 인해 업계에서 가장 많이 사용되는 금속 중 하나입니다. 표 1은 주요 일상 분야에서 알루미늄 응용 분야를 나열합니다.
| 부문 | 특정 애플리케이션 | 알루미늄 등급 |
| 자동차 산업 | 엔진 구성품(피스톤, 실린더) | 4032, 2618 |
| 전송 및 구조 | 6061, 7075 | |
| Aerospace | 항공기 구조 프레임 | 2024, 7075 |
| 기어 구성품 | 7075, 2024 | |
| 패스너 및 부속품 | 7075, 6061 | |
| 전자 | 열 관리를 위한 방열판 | 6063, 1100 |
| 전자 장치용 인클로저 | 5052, 6061 | |
| 커넥터 및 스위치용 구성 요소 | 6061, 2024 | |
| 식품 및 포장 | 식품가공용 기계부품 | 6061, 5052 |
| 포장기 부품 | 6061, 5052 | |
| 식품 포장용 금형 | 3003, 6061 |
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