Ik ga dit artikel vooraf door te zeggen dat ik hier geen expert in ben! Menig duur snijgereedschap is aan zijn einde gekomen terwijl ik het “gebruikte” om aluminium te bewerken. Er is een ton van goede informatie van de wereld van machinisten op het Internet over het snijden van aluminium. Bijna alles wordt gedaan met echte metaalfrezen en bewerkingscentra. Zelfs een vrij kleine metalen frees is veel stijver en minder gevoelig voor trillingen dan een zware bovenfrees. Dit is een discussie over hoe je fatsoenlijke resultaten krijgt en geen dingen verknoeit terwijl je een gereedschap gebruikt dat goed is, maar niet ideaal voor een klus.

De vijf grote uitdagingen die ik heb gehad met het frezen van aluminium diverse routers die ik heb gehad zijn:

• legeringsselectie
• machinestijfheid
• gereedschapspad/strategie selectie
• voeders en snelheden
• spaanderopruiming/koeling
• fixturing

Het sorteren van elk van deze gesorteerd zal een enorm verschil in uw succes maken!

Veiligheid!

Eerst een beetje over veiligheid – omdat het snijden van metaal een aantal echte zorgen met zich meebrengt die je niet hebt bij het snijden van hout of plastic! Er is een reden waarom commerciële metaalbewerkingscentra behuizingen hebben. Rondvliegende spanen en koelvloeistof maken een enorme puinhoop en vormen ook een reëel gevaar voor de bedieners. Het internet staat vol met video’s van machines die onderdelen uit de vizieren schieten en frezen die afremmen en wegvliegen. Bij metaalbewerking zijn de brokken zwaarder, scherper en heter. Draag te allen tijde een veiligheidsbril bij het bewerken van aluminium!

Het stevig vasthouden van uw materiaal is zeer belangrijk. Door de sterkte van het aluminium en de verhoogde snijkrachten kunnen kleine onderdelen en afsnijdingen met grote kracht en snelheid worden weggeslingerd – en dat is super eng. Het is niet onredelijk om een schild of een gordijn op te hangen om jezelf te beschermen!

Legeringskeuze: Welk type aluminium?

Aluminium wordt meestal gelegeerd met andere metalen om specifieke eigenschappen te verbeteren. Een overzicht vindt u hier: Aluminiumlegeringen 101. Over het algemeen zijn de beste verspanende legeringen de 6xxx serie. Dit is goed omdat ze veel voorkomen en gemakkelijk te verkrijgen zijn. De meeste extrusie is 6xxx legering. De “xxx” betekent dat er veel subtypes van 6-serie aluminium zijn. 6061 komt veel voor en is een goede optie voor machinale bewerking. Ik heb 5xxx serie plaat bewerkt – een keer toen een klant het bij me bracht – en het was een ramp op een bovenfrees. Erg kleverig en geneigd om frezen vol te laten lopen. Les geleerd. Als het enigszins mogelijk is, blijf dan bij legeringen van de 6xxx reeks.

Hittebehandeling (voor die legeringen waar het werkt) heeft ook invloed op de hardheid van het materiaal. De warmtebehandeling wordt weergegeven als een getal na de letter “T” – zoals “6061-T6.” Over het algemeen zijn warmtebehandelde legeringen beter (harder en minder kleverig) voor machinale bewerking. Het niet-warmtebehandelde materiaal wordt aangeduid als “T3” of “T4” en het warmtebehandelde (of verouderde) als “T5” of “T6” – dus als al het andere gelijk is, als je het wilt bewerken, zorg dan voor warmtebehandeld materiaal. Warmbehandeld materiaal is ook een beetje sterker. Iedereen die metaal verkoopt zal veel beter op de hoogte zijn van de details dan ik – dus vraag het voordat je koopt.

Als ik iets moest kiezen om te bewerken, zou het “6061-T6” zijn voor algemene dingen of “Mic-6” gegoten plaat voor dingen die stabiel moeten zijn of voordeel hebben van vlakke beginvoorraad. Mic-6 is een productbenaming van Alcoa, maar de naam wordt vaak gebruikt zoals “Kleenex” of “Xerox” om gewoon “gegoten plaat” te betekenen. Het wordt gegoten in een blad in plaats van uitgedreven zodat heeft het minimale interne spanning en zal niet kromtrekken wanneer machinaal bewerkt. Het wordt ook supervlak geslepen – maar het is duurder!

Snijbelastingen

U kunt testen hoe (on)stijf uw machine is door een meetklok te halen en die te plaatsen om de doorbuiging in een of andere as ergens bij de kop af te lezen. Pak de machine vast (spindel eraf) en trek er zo hard aan als je durft. Tenzij je een echt robuuste machine hebt, zal hij veel bewegen. Ik had een machine die heel mooi en nauwkeurig hout sneed, maar die 1,5 mm doorbuigde met alleen maar de druk die ik met mijn handen kon uitoefenen. De waarheid is – als je het goed doet – dat een frees die een normale bewerking uitvoert, veel minder belasting op de machine veroorzaakt dan je zou denken! Combineer dit met de software in de machinebesturing, die is ontworpen om versnellingen netjes te regelen – en een behoorlijk slappe machine kan zeer nauwkeurige snedes maken.

Wanneer u de sprong maakt van het snijden van hout (dichtheid tot 50lbs/kubieke ft.) naar aluminium (ongeveer 170lbs/kubieke ft.) snijdt u iets dat vier keer zo dicht is. Zoals je zou verwachten gaan de snij belastingen omhoog als je dezelfde frees met dezelfde snelheid gebruikt – dus doe dat niet!

Voor meer over het bewerken van aluminium met lichte machines, bekijk deze uitstekende video van NYCCNC: Shapeoko Feeds & Speeds and Machining Tips!

Cutting Strategies

Met een slappe machine moet je de belasting op het gereedschap laag en gelijkmatig houden, anders laat het een lelijk oppervlak achter. Moderne CAM-pakketten hebben elegante gereedschapspadstrategieën om een constante freesbelasting te handhaven. Voor het ruwen zijn deze strategieën (“Adaptive” voor Autodesk-producten, “Dynamic” voor Mastercam, etc.) zeer effectief en geven veel betere resultaten. Dit is vooral merkbaar in hoeken of pockets waar traditionele strategieën de frees dwingen om een enorme mondvol te nemen op het moment dat hij van richting verandert!

De axiale snedediepte (hoe diep de snijkanten van je frees zijn bezet) is ook belangrijk. Als je een laag vermogen spindel met veel RPM, kunt u het beter om sneller te bewegen, maar een minder-dan-vol-diepte cut te nemen met een “Adaptieve” stijl snijstrategie. Spaanafvoer zal gemakkelijker zijn en u kunt een betere procesbetrouwbaarheid krijgen ten koste van slechts een beetje snelheid.

Voor nabewerkingen, vooral 3D met een frees met kogelfrees – een “pre-finishing” aanpak zal echt helpen om het uiteindelijke oppervlak mooi te maken. Om dit te doen maak je een set van bewerkingen die hetzelfde zijn als je afwerking paden, maar die een klein beetje materiaal overlaten (.02″ / 0.5mm) en gebruik een grotere step-over met 2 tot 4X. Deze paden zullen een zeer uniforme laag materiaal achterlaten voor de uiteindelijke nabewerkingen om te verwijderen. In hoeken vermindert dit het volume van het materiaal dat moet worden verwijderd en elimineert het stappen van een voorbewerking die uw frees ongelijk kan belasten. Als u met een afwerkfrees door een trapsgewijze ruwe afwerking probeert te komen, kan het bit (of de machine) doorbuigen, waardoor de ruwingsstappen in het afgewerkte deel worden verraden.

Voor meer over de basisbenaderingen van 3D-bewerken, bekijk mijn artikel: INLEIDING TOT CNC BEWERKINGSSURVES

Voedingen en snelheden

Er zijn formules om het juiste bereik van snijparameters voor een bepaald gereedschap in een bepaald materiaal te berekenen en machinisten steken veel moeite in het berekenen van “voedingen en snelheden”. De meeste gereedschapleveranciers hebben specifieke richtlijnen die zeer nuttig zijn. Hier zijn enkele goede bronnen om hierbij te helpen:

• Harvey Tool Blog: Snelheden en Feeds 101
• NYC CNC: Snelheden & Feeds Tutorial voor CNC Machines! WW164

Hier is een snel overzicht van wat u moet weten om een redelijke voedingssnelheid en RPM voor uw situatie te kiezen (Sorry, nog geen metrische!) :

Surface Feet per Minute (SFM): Dit is hoe ver een punt op het oppervlak – zeg de punt van een fluit van het gereedschap reist in een minuut. Stel u voor dat u het gereedschap langs een oppervlak naast een liniaal rolt. De SFM is hoe ver het gereedschap in een minuut zou rollen. Dit is niet iets wat we berekenen – het is meer een metriek om aan te geven “hoe snel” we snijden. Goede richtlijnen kunnen uit een tabel van een gereedschapfabrikant gehaald worden – of uit ruwe richtlijnen voor een materiaal. Voor hardmetalen gereedschappen in aluminium is dit ongeveer 600-1500 – hoger voor afwerking, lager voor voorbewerking. Voor roestvrij staal en ander zwaar materiaal kan de ideale SFM onder de 100 liggen.

Omwentelingen per minuut (RPM): Dit is gewoon hoe snel het gereedschap draait. De secondewijzer op een klok gaat 1 RPM. Hopelijk is uw gereedschap sneller. Frezen hebben meestal een groot toerentalbereik, maar niet veel low-end koppel, dus u zult het waarschijnlijk het beste doen in het bereik van 8.000-25.000 RPM.

Cutter Diameter (D): Dit is de diameter van het snijgedeelte van de cutter.

Cutter Aantal Tanden (T): Hoeveel groeven/tanden heeft het snijgereedschap? Voor aluminium, hoe minder hoe beter. Twee is bijna altijd genoeg, en voor plaat snijden of ruwen zonder overstroming koelvloeistof, single flute frezen zijn geweldig! (zie hieronder voor meer)

Om enkele nuttige berekeningen te maken, zullen we beginnen met een standaard van 1000 SFM voor ons aluminium en D – de diameter van ons gereedschap. Laten wij veronderstellen wij een mooie 1/4″ twee-helft carbide up-spiraal frees hebben. Dus D wordt .25″ en T wordt 2.

Met deze formule kunnen we het toerental berekenen dat we zullen gebruiken:

RPM = (3.8 x SFM) / D

15200 = (3.8 x 1000) / .25

Dus we hebben ons theoretisch toerental! Nu kunnen we berekenen hoe snel we de machine moeten laten draaien, met behulp van twee extra variabelen:

Chip-load Per Tooth (CPT): Dit is hoeveel van een beet elke tand neemt bij de volledige geprogrammeerde voedingssnelheid. Over het algemeen uitgedrukt in duizendsten van een inch, bijvoorbeeld onze 1/4 “carbide frees zou goed kunnen werken met 0.002” CPT.

Inches per Minute (IPM): Dit is de snijsnelheid – hoe snel de spindel door het materiaal beweegt.

Wij kunnen dus de voedingssnelheid (IPM) berekenen uit het toerental, de spaanlading per tand (CPT) en het aantal tanden (T) van het gereedschap:

IPM = RPM x CPT x T

Met ons toerental van 15.200 RPM en 0.002″ CPT op een gereedschap met twee spiralen:

60.8 =15200 x 0.002 x 2

Onze voedingssnelheid zal 60.8 inch per minuut zijn!

Dit is een goed begin – en zal waarschijnlijk goed werken. Door de gepubliceerde gegevens van de fabrikant over SFM en spaanbelasting te controleren, kunt u meer gereedschapsspecifieke getallen gebruiken en betere resultaten krijgen. De spaanbelasting van 0.002″ die we in dit voorbeeld gebruiken is aan de lage kant voor ruwbewerkingen met een 1/4″ gereedschap, en u kunt het zonder problemen een flink stuk opvoeren in de aanvoersnelheid.

Probeer niet om alles beter te laten verlopen door heel traag te werken! Dit is bijna net zo erg als te snel gaan, want in plaats van je frees meteen te breken – zal hij wrijven en hitte genereren en gaan gommen – en dan breken. Weersta de verleiding om het te traag te doen. Je wilt er zeker van zijn dat de spaanders die van de snede komen ook echte spaanders zijn. Pak een schuifmaat en meet er een – idealiter zou de dikte aan de “vette kant” in de buurt moeten liggen van de spaanbelasting per tand die je hebt gekozen.

Ook zou je standaard moeten “klimsnijden” – een optie in je CAM-software. Hierdoor wordt het vetste deel van de spaan het eerst bewerkt en wordt wrijven en warmteontwikkeling voorkomen. Bekijk dit snelle artikel van Harvey Tool over het verschil tussen klimmend en conventioneel frezen.

Cutters

Cutter keuze maakt een groot verschil, vooral als u beperkt bent in uw gebruik van koelvloeistof. Veel standaardfrezen zijn geoptimaliseerd voor gebruik met koelvloeistof in een gesloten bewerkingscentrum. Als u geen koelvloeistof of alleen luchtstraal gebruikt, moet u oppassen dat uw frezen niet worden belast met gewreven of gomachtig metaal. Vermijd alles met meer dan twee spiralen. Als je aan het afwerken bent kan een ball-end met drie spuiten goed zijn, maar het is meer vatbaar voor belasting. De extra spiraal verhoogt de stijfheid van de frees, wat nuttig kan zijn.

Enkelsnijders zijn een enorme hulp bij het snijden van aluminium op een bovenfrees. Typisch heb je veel spindel RPM maar niet veel stijfheid, en chip clearing is een probleem. Frezen met enkele spiraal zijn het meest geschikt voor dit scenario. Kijk hier eens naar – de twee spiraal is vastgelopen en de enkele spaan werkt als een kampioen!

Je wilt ook de “stick-out” van je gereedschap tot een minimum beperken. Ga na hoe diep u moet snijden en voeg dan een kleine marge toe – misschien 0.125″ / 3mm – zodat u het niet verplettert. Korte “stomp-lengte” gereedschappen zijn geweldig!

Spanen verwijderen en koelen

Als je eenmaal met redelijke “feeds en snelheden” werkt, kom je bij het volgende probleem – hoe krijg je spanen uit de snede, en hoe houd je de frees koel? In een ideale wereld zouden de spanen netjes worden afgesneden en weggeslingerd van de snede, waarbij alle hitte die het snijproces heeft gegenereerd met hen zou worden weggenomen. Dit zal waarschijnlijk niet gebeuren… maar u hebt opties!

Uw minst smerige optie is perslucht – spaanders uit de snede blazen en het gereedschap vrij houden. Lucht absorbeert zelf niet veel warmte, dus dit werkt alleen bij licht snijwerk zonder diepe spanen… idealiter met een enkele spaan of met een bewerkingsstrategie waarbij niet in één keer wordt gegroefd. Er zijn “koude lucht pistolen,” gemaakt door Vortec en anderen die goed werken, maar een throttleable gerichte lucht blast moet werken ok.

Stepping up van lucht alleen, kunt u gebruik maken van een koelvloeistof nevel, of “minimale hoeveelheid smering” systeem. Fogbuster, Koolmist, en vele anderen zijn gemeenschappelijke add-ons aan CNC frezen. Je hebt alleen een reservoir en een mondstuk nodig en een persluchtleiding naar de spindel. Er is genoeg koelvloeistof om voor wat smering te zorgen en om de warmte die weg trekt te verdampen. Het wordt gecombineerd met lucht om spanen te verwijderen. Het is rommelig, maar je kunt meestal een soort afvoersysteem opzetten om de vloeistof weg te houden van de belangrijke bewegende en elektrische onderdelen. Systemen met minimale hoeveelheden smeermiddel zijn lichter op de lucht en meer over het verstrekken van een smeermiddel aan de snede en minder over het opruimen van chips. Afhankelijk van de toepassing, kan dit genoeg zijn.

Als u een machine voor zwaar werk hebt en deze is ingesteld om het aan te kunnen, is overstromingskoelvloeistof uitstekend. Het is de standaard voor het frezen van metalen in het algemeen en sommige bovenfrezen kunnen de stroom van overtollig koelmiddel van de tafel en terug naar de koelvloeistofpomp aan. Voor licht tot middelzwaar aluminiumwerk heb je het waarschijnlijk niet nodig. Op een bovenfrees is het onwaarschijnlijk dat het een kwestie van maken of breken is, omdat machines meestal niet krachtig of stijf genoeg zijn om zware sneden te maken.

Fixturing

Hoe ga je het vasthouden? Afhankelijk van uw machine en uw keuze van koelvloeistof en spaanafvoeropties, hebt u een heleboel manieren om het te doen…

Hierboven ziet u de eenvoudigste optie – boor wat gaten waar u niet gaat bewerken en schroef het vast aan een plaat triplex! Hier heb ik ook wat plastic folie neergelegd om het MDF bed van de machine te beschermen. Dit is geen productieklare optie, maar als je het voor lunchtijd af moet hebben, is dit het proberen waard. Het kan zijn dat je lipjes moet gebruiken (waarschijnlijk een optie in je CAM software) om kleine stukjes op hun plaats te houden.

Als uw machine een vacuümtafel heeft, is dat een goede optie als u genoeg vacuümcapaciteit heeft om het vel naar beneden te houden terwijl u er meer en meer gaten doorheen snijdt. Vacuüm is geweldig voor productie snijden, waar u kunt instellen van een pakking armatuur die alleen houdt het deel waar het niet zal worden doorgesneden. Aangezien aluminium duur is en het erg moeilijk is om een plaat die verschoven is opnieuw te indexeren, kan het goed zijn om een “riem en bretels” aanpak te gebruiken en ook grote (vooral dunne) platen mechanisch vast te zetten of te indexeren tegen vaste aanslagen in aanvulling op het gebruik van vacuüm.

De manier die ik verkies (indien mogelijk) is om het materiaal daadwerkelijk vast te klemmen met een soort riemklemarrangement. Dit werkt beter voor dikker materiaal. Hieronder is een beeld van me het snijden van sommige 3/8 ” plaat op een machine met een dikke aluminiumplaat voor een lijst. Deze tafel heeft om de paar centimeter tapgaten zodat bandklemmen kunnen worden gebruikt. Het beste. Tafel. Ooit! Je ziet enkele standaard metalen klemmen zoals je die in een machinewerkplaats ziet, maar ook een zelfgemaakte van MDF die een groter bereik heeft en de trillingen dempt. Ik gebruik een 1/4″ éénsnijdende frees met koude luchtstroom.

Er zijn nog een paar andere vreemde dingen te zien op de foto hierboven – ten eerste de verfroerstokjes die om de meter of zo onder de plaat zijn geschoven. Hiermee kan ik door het werkstuk snijden zonder in de aluminium machinetafel te snijden. Ze helpen ook spanen uit de gleuven te laten vallen als ze worden doorgesneden. Het andere vreemde ding is dat de loden steen bedekt is met plastic tape. De plastic tape is om te voorkomen dat je het lood aanraakt, en het lood is er om trillingen in de plaat te dempen. De operator moet het verplaatsen en uit de buurt houden van de snijkop, maar het voorkomt dat de plaat gaat klapperen, vooral omdat grote delen bijna vrij worden gesneden – behalve daar waar ze met lipjes worden vastgehouden. Niet mooi, maar wel goed gelukt!

Je kunt ook vizieren gebruiken zoals op een bewerkingscentrum. Ik heb (zeer zelden) een paar vizieren op een rij aan de tafel vastgeschroefd en ze gebruikt om extrusie vast te houden voor bewerking. Andere mensen doen dit altijd en voor mij werkte het ook prima – maar mijn ervaring is beperkt! De machinisten van het internet hebben dit onder de knie.

Conclusies

Nu weet je wat ik weet. Het is niet allesomvattend, maar het is een begin, en ik hoop dat het u een gebroken frees of andere hoofdpijn bespaart!

Links:

• NYC CNC: Shapeoko Feeds & Snelheden en bewerkingstips!
• Harvey Tool: Het aanvallen van Aluminium: A Machining Guide
• Harvey Tool Blog: Snelheden en Feeds 101
• NYC CNC: Snelheden & Feeds Tutorial voor CNC Machines! WW164

Note:

Dit artikel bevat informatie die mijn mening weergeeft – ik doe geen beloftes over de bruikbaarheid ervan! Het kan fouten bevatten (laat het me weten als u er vindt!) en bevat vooroordelen die gebaseerd zijn op mijn beperkte ervaring. Als je het ergens niet mee eens bent, neem dan contact met me op. Dit is niet alleen voor mij om te delen wat ik weet, maar ook om van anderen te leren. Ik zal graag aanvullende informatie en afwijkende meningen invoegen, zodat lezers zich meer bewust zijn van de diversiteit aan “juiste” antwoorden!

Wijzigingslogboek:

Bijgewerkt: 12/5/19 – Heat treat en Mic 6, klimmen snijden, langzame waarschuwing en fix fouten in berekening.

Updated: 1/9/21 – toegevoegd snijders, strategieën secties, links.