Jag tänker inleda den här artikeln med att säga att jag inte är någon expert på detta! Många dyra skärverktyg har mött sitt slut medan jag ”använt” dem för att bearbeta aluminium. Det finns massor av bra information från maskinisternas värld på internet om skärande bearbetning av aluminium. Nästan allt är gjort med riktiga metallfräsar och bearbetningscentra. Även en ganska dinky metallfräs är mycket styvare och mindre utsatt för vibrationer än en tung router. Det här är en diskussion om hur man får hyfsade resultat och inte ställer till det när man använder ett verktyg som är ok men inte idealiskt för ett jobb.

De fem stora utmaningarna jag har haft med att skära aluminium olika routrar jag har haft är:

• legeringsval
• maskinens styvhet
• verktygsväg/strategival
• matningar och hastigheter
• spånröjning/kylning
• fixturering

Om du får ordning på var och en av dessa frågor kommer det att göra en stor skillnad för din framgång!

Säkerhet!

Först lite om säkerhet – för att skära metall medför en del verkliga problem som du inte har när du skär i trä eller plast! Det finns en anledning till att kommersiella metallbearbetningscentra har kapslingar. Flygande spån och kylvätska orsakar en enorm röra och utgör också en verklig fara för operatörerna. Internet är fullt av videor med maskiner som slänger ut delar ur skruvmejslar och fräsar som bromsar upp och flyger iväg. Vid metallbearbetning är bitarna tyngre, vassare och hetare. Bär alltid skyddsglasögon när du bearbetar aluminium!

Det är mycket viktigt att hålla fast materialet ordentligt. På grund av aluminiumets styrka och de ökade skärkrafterna kan små delar och avklipp slungas med stor kraft och hastighet – vilket är superläskigt. Det är inte orimligt att rigga upp en sköld eller en gardin för att skydda sig!

Val av legering: Vilken typ av aluminium?

Aluminium legeras oftast med andra metaller för att förbättra specifika egenskaper. En översikt finns här: Aluminiumlegeringar 101. Generellt sett är de bästa bearbetningslegeringarna för maskinbearbetning 6xxx-serien. Detta är bra eftersom de är mycket vanliga och lätta att få tag på. Det mesta extruderade materialet är 6xxx-legering. ”xxx” betyder att det finns många undertyper av aluminium i 6-serien. 6061 är mycket vanligt och är ett bra alternativ för bearbetning. Jag har bearbetat plåt av 5xxx-serien – en gång när en kund tog med den till mig – och det var en katastrof på en fräs. Mycket gummiaktigt och benäget att ladda upp fräsarna. Lektion som jag lärt mig. Om det är möjligt, håll dig till legeringar i 6xxx-serien.

Värmebehandling (för de legeringar där det fungerar) påverkar också materialets hårdhet. Värmebehandling visas som en siffra efter bokstaven ”T” – som ”6061-T6”. Generellt sett blir värmebehandlade legeringar bättre (hårdare och mindre gummiartade) för bearbetning. Det icke värmebehandlade materialet kommer att betecknas ”T3” eller ”T4” och det värmebehandlade (eller åldrade) kommer att betecknas ”T5” eller ”T6” – så allt annat lika, om du vill bearbeta det, se till att du får värmebehandlat material. Värmebehandlat material är också lite starkare. Alla som säljer metall kommer att vara mycket mer medvetna om detaljerna än vad jag är – så fråga innan du köper.

Om jag var tvungen att välja något att bearbeta skulle det vara ”6061-T6” för allmänna saker eller ”Mic-6” gjuten plåt för saker som måste vara stabila eller gynnas av ett plant utgångsmaterial. Mic-6 är en produktbeteckning från Alcoa, men namnet används ofta ungefär som ”Kleenex” eller ”Xerox” för att bara betyda ”gjuten plåt”. Den är gjuten i en plåt i stället för extruderad så att den har minimal inre spänning och inte kommer att förvrängas när den bearbetas. Den kan också slipas superplatt – men den är dyrare!

Skärande belastningar

Du kan testa hur (o)styv din maskin är genom att skaffa en mätare och placera den så att den avläser avböjningen i någon axel någonstans i närheten av huvudet. Ta tag i maskinen (utan spindel) och dra i den så hårt du vågar. Om du inte har en riktigt robust maskin kommer den att röra sig mycket. Jag hade en maskin som skar trä mycket fint och exakt men som avvek 1,5 mm med bara det tryck jag kunde utöva med händerna. Sanningen är – om du gör det rätt – att en fräs som utför en normal bearbetning skapar mycket mindre belastning på maskinen än du tror! Kombinera detta med programvaran i maskinstyrningen som är utformad för att styra accelerationer på ett elegant sätt – och en ganska slapp maskin kan göra mycket noggranna skärningar.

När man gör språnget från att skära trä (densitet upp till 50 pund/kubikfot) till aluminium (ca 170 pund/kubikfot) skär man något som är fyra gånger så tätt. Som man kan förvänta sig ökar skärbelastningen kraftigt om man tar samma skärare med samma hastighet – så gör inte det!

För mer information om bearbetning av aluminium med lätta maskiner, se denna utmärkta video från NYCCNC: Shapeoko Feeds & Speeds and Machining Tips!

Cutting Strategies

Med en floppy-maskin måste du hålla belastningen på verktyget låg och jämn, annars lämnar det en ful yta. Moderna CAM-paket har eleganta verktygsbanestrategier för att bibehålla en jämn verktygsbelastning. För grovbearbetning är dessa strategier (som kallas ”adaptiva” för Autodesk-produkter, ”dynamiska” för Mastercam etc.) mycket effektiva och ger mycket bättre resultat. Detta är särskilt märkbart i hörn eller fickor där traditionella strategier tvingar fräsen att ta en stor munsbit precis när den ändrar riktning!

Det axiella skärdjupet (hur djupt dina fräsar är engagerade) är också viktigt. Om du har en spindel med låg effekt och många varv per minut kan du upptäcka att det är bättre att röra dig snabbare men ta ett mindre djupt skärdjup med en ”adaptiv” skärstrategi. Spånröjningen blir lättare och du kan få bättre processäkerhet på bekostnad av bara lite högre hastighet.

För efterbearbetning, särskilt 3D-bearbetning med en kulfräs – en strategi för ”förbehandling” kommer verkligen att hjälpa till att göra den slutliga ytan fin. För att göra detta gör du bara en uppsättning operationer som är desamma som dina finisherbanor, men som lämnar en liten bit material (.02″ / 0.5mm) och använder ett större stegöverskridande med 2 till 4X. Dessa banor kommer att lämna ett mycket jämnt lager av material som de slutliga efterbehandlingsoperationerna ska ta bort. I hörnen kommer detta att minska volymen material som måste avlägsnas och eliminera steg från en grovbearbetning som kan ge ojämn belastning på din fräs. Om man försöker ta sig igenom en grov yta med steg med en finskningsfräs kan det leda till att fräset (eller maskinen) avböjs och att grovhetsstegen syns i den färdiga detaljen.

För mer information om grundläggande tillvägagångssätt för 3D-bearbetning kan du läsa min artikel: Introduktion till CNC-bearbetning av ytor

Föregångar och hastigheter

Det finns formler för att beräkna det rätta intervallet av skärparametrar för ett visst verktyg i ett visst material, och maskinister lägger mycket arbete på att beräkna ”flöden och hastigheter”. De flesta verktygsleverantörer har särskilda riktlinjer som är till stor hjälp. Här är några bra resurser för att hjälpa till med detta:

• Harvey Tool Blog: Speed and Feeds 101
• NYC CNC: Speeds & Feeds Tutorial for CNC Machines! WW164

Här är en snabb översikt över vad du behöver veta för att välja en rimlig matningshastighet och ett rimligt varvtal för din situation (tyvärr inte metriskt ännu!) :

Surface Feet per minut (SFM): Detta är hur långt en punkt på ytan – till exempel spetsen på en verktygsfläns – färdas på en minut. Föreställ dig att du rullar verktyget längs en yta bredvid en linjal. SFM är hur långt verktyget rullar på en minut. Detta är inte något som vi beräknar – det är mer ett mått för att säga ”hur snabbt” vi skär. Bra riktlinjer kan tas från en tabell som tillhandahålls av en verktygstillverkare – eller från grova riktlinjer för ett material. För hårdmetallverktyg i aluminium är detta cirka 600-1500 – högre för finbearbetning, lägre för grovbearbetning. För rostfritt stål och andra tunga material kan den idealiska SFM vara under 100.

Omdrev per minut (RPM): Detta är hur snabbt verktyget snurrar. Sekundvisaren på en klocka går 1 varv per minut. Förhoppningsvis är ditt verktyg snabbare. Överfräsare har vanligtvis gott om varvtalsområde, men inte mycket vridmoment vid låga varvtal, så du klarar dig förmodligen bäst i intervallet 8 000-25 000 varv per minut.

Fräsdjupdiameter (D): Detta är diametern på den skärande delen av skäret.

Skärets antal tänder (T): Hur många spår/tänder har skärverktyget? För aluminium gäller att ju färre desto bättre. Två är nästan alltid tillräckligt, och för plåtskärning eller grovbearbetning utan översvämningskylmedel är enflänsiga fräsar med en flöjt fantastiskt bra! (se mer nedan)

För att göra några användbara beräkningar börjar vi med en standard på 1000 SFM för vårt aluminium och D – verktygets diameter. Låt oss föreställa oss att vi har en fin 1/4″ uppspiralfräs i hårdmetall med två slidor. Så D kommer att vara 0,25″ och T kommer att vara 2.

Med hjälp av denna formel kan vi beräkna det varvtal vi kommer att använda:

RPM = (3,8 x SFM) / D

15200 = (3,8 x 1000) / 0,25

Så har vi vårt teoretiska varvtal! Nu kan vi beräkna hur snabbt maskinen ska köras med hjälp av två ytterligare variabler:

Chip-load Per Tooth (CPT): Det här är hur mycket spån varje tand tar vid full programmerad matningshastighet. Det uttrycks vanligen i tusendelar av en tum, t.ex. kan vår 1/4-tums hårdmetallfräs fungera bra med 0,002 tum CPT.

Tum per minut (IPM): Detta är skärhastigheten – hur snabbt spindeln rör sig genom materialet.

Så vi kan beräkna matningshastigheten (IPM) från varvtal, spånbelastning per tand (CPT) och antalet tänder (T) på verktyget:

IPM = varvtal x CPT x T

Med vårt varvtal på 15 200 varv per minut och 0.002″ CPT på ett verktyg med två tandkanter:

60,8 =15200 x 0,002 x 2

Vår matningshastighet blir 60,8 tum per minut!

Detta är en bra början – och kommer förmodligen att fungera bra. Om du kontrollerar tillverkarens publicerade uppgifter om SFM och spånbelastning kan du använda mer verktygsspecifika siffror och få bättre resultat. Den spånbelastning på 0,002″ som vi använder i det här exemplet är på den låga sidan för grovbearbetning med ett 1/4″-verktyg, och du kanske kan skruva upp det ganska mycket i matningshastighetsavdelningen utan problem.

Försök inte få saker och ting att gå bättre genom att gå riktigt långsamt! Det är nästan lika illa som att gå för fort, för i stället för att bryta din fräs med en gång – kommer den att gnugga och generera värme och gumma – och sedan gå sönder. Motstå frestelsen att sakta ner för mycket. Du vill försäkra dig om att de flisor som kommer från skäret är riktiga flisor. Ta ett skjutmått och mät ett – helst ska tjockleken i den ”tjocka änden” ligga nära det värde för spånbelastning per tand som du valde.

Du bör också vara ”climb cutting” som standard – ett alternativ i din CAM-programvara. Detta kommer att ta den feta delen av spånet först och undvika gnidning och värmeutveckling. Kolla in den här snabba artikeln från Harvey Tool om skillnaden mellan klättring och konventionell fräsning.

Fräsmaskiner

Fräsmaskinvalet gör stor skillnad, särskilt om du är begränsad i din användning av kylvätska. Många standardfräsar är optimerade för användning med kylmedel i ett slutet bearbetningscenter. Om du inte använder något kylmedel eller bara luftstrålning måste du vara försiktig så att du inte belastar fräsarna med gnuggad eller gummiglad metall. Undvik allt som har mer än två skåror. Om du ska göra slutbearbetning kan en treflänsig kulspets vara okej, men den är mer benägen att laddas. De extra flöjterna ökar dock skärets styvhet vilket kan vara till hjälp.

Singelflöjtsverktyg är en stor hjälp när du skär aluminium på en router. Vanligtvis har du gott om spindelvarvtal men inte mycket styvhet, och spånröjning är ett problem. Enkelflutiga fräsar är ”bäst lämpade” för det här scenariot. Titta på det här – den tvåflöjliga fräsen blev gummig och den enkelflöjliga fräsen fungerade som en mästare!

Du vill också begränsa ”stick-out” på dina verktyg till ett minimum. Räkna ut hur djupt du behöver skära och lägg sedan till en liten marginal – kanske 0,125″ / 3 mm – bara så att du inte kraschar. Korta verktyg med ”stub-längd” är bra!

Förhindra flisor och kylning

När du väl arbetar med rimliga ”matningar och hastigheter” kommer du till nästa problem – hur får du bort flisor från snittet och hur håller du fräsen sval? I en idealisk värld skulle spånen snyggt skäras av och kastas långt bort från skäret och ta med sig all den värme som skärprocessen genererade. Det är inte troligt att detta kommer att ske… men du har alternativ!

Ditt minst kladdiga alternativ är tryckluft – den blåser ut spåner ur snittet och håller verktyget fritt. Luft i sig absorberar inte mycket värme så detta fungerar endast vid lätt skärning utan djupa fickor … helst med en enkelspårig fräs eller med en bearbetningsstrategi som inte innefattar slitsning i ett enda pass. Det finns ”kallluftspistoler” tillverkade av Vortec och andra som fungerar bra, men alla reglerbara fokuserade luftstötar bör fungera ok.

Som steg från enbart luft kan du använda en kylmedelsdimma eller ett system för ”minimikvantitetssmörjning”. Fogbuster, Koolmist och många andra är vanliga tillägg till CNC-routrar. Du behöver bara en behållare, ett munstycke och en tryckluftsledning till spindelområdet. Det finns tillräckligt med kylmedel för att ge viss smörjförmåga och för att avdunsta den värme som drar bort. Det kombineras med luft för att rensa bort spån. Det är rörigt, men man kan vanligtvis rigga upp någon typ av dräneringssystem för att hålla vätskan borta från de viktiga rörelse- och elektriska bitarna. Smörjmedelssystem med minimal mängd smörjmedel är lättare med luft och handlar mer om att ge ett smörjmedel till snittet och mindre om att rensa bort spåner. Beroende på applikationen kan detta vara tillräckligt.

Om du har en tung maskin och den är inställd på att klara av det är översvämningskylmedel utmärkt. Det är standard för fräsning av metaller i allmänhet och vissa fräsar kan hantera flödet av överflödig kylvätska från bordet och tillbaka till kylvätskepumpen. För lätta till medelstora aluminiumarbeten behöver du förmodligen inte det. På en överfräsare är det osannolikt att det blir ett avgörande problem eftersom maskinerna vanligtvis inte är tillräckligt kraftfulla eller styva för att klara tunga snitt.

Fixturing

Hur ska du hålla fast den? Beroende på din maskin och ditt val av kylmedel och alternativ för spånrensning har du ett gäng sätt att göra det på…

Ovanför kan du se det enklaste alternativet – borra några hål där du inte kommer att bearbeta och skruva fast den på en plywoodskiva! Här har jag också lagt ner lite plastfolie för att skydda maskinens MDF-bädd. Detta är inte ett produktionsklart alternativ, men om du måste få det gjort före lunchtid är det värt ett försök. Du kan behöva använda flikar (förmodligen ett alternativ i din CAM-programvara) för att hålla små bitar på plats.

Om din maskin har ett vakuumbord är det ett bra alternativ om du har tillräckligt med vakuumkapacitet för att hålla ner plåten när du skär fler och fler hål genom den. Vakuum är utmärkt för produktionsskärning, där du kan sätta upp en packad fixtur som endast håller fast delen där den inte kommer att skäras igenom. Med tanke på att aluminium är dyrt och att det är mycket svårt att återindexera en plåt som har förskjutits kan det vara bra att använda en ”bälte och hängslen”-metod och även mekaniskt fästa eller indexera stora (särskilt tunna) plåtar mot fasta anhållningsanordningar utöver att använda vakuum.

Det sätt som jag föredrar (om det är möjligt) är att faktiskt klämma fast materialet med någon form av bandklämmanordning. Detta fungerar bättre för tjockare material. Nedan finns en bild på mig när jag kapar lite 3/8″ plåt på en maskin med en tjock aluminiumplatta som bord. Detta bord har gängade hål med några centimeters mellanrum så att bandklämmor kan användas. Bäst. Bord. Någonsin! Du kan se några vanliga metallklämmor som du skulle se i en maskinverkstad samt en hemmagjord MDF-klämma som har längre räckvidd och dämpar vibrationer. Jag använder en 1/4″ enkelflöjtsslip med kalluftsblåsning.

Det finns några andra konstiga saker som syns på bilden ovan – för det första glider färgrörpinnarna under plattan varannan fot eller så. Med hjälp av dessa kunde jag skära genom arbetsstycket utan att skära i maskinbordet av aluminium. De hjälper också till att släppa ut spåner ur slitsarna när de skärs igenom. Den andra märkliga saken är blystenen som är täckt med plasttejp. Plasttejpen är till för att man inte ska röra blyet, och blyet är till för att dämpa vibrationer i plattan. Operatören måste flytta runt den och hålla den fri från skärhuvudet, men den hindrar plåten från att skramla, särskilt när stora delar skärs nästan fritt – utom där de hålls fast med flikar. Det är inte vackert, men det fungerade bra!

Du kan också använda skruvmejslar som på ett bearbetningscenter. Jag har (mycket sällan) skruvat fast ett par skruvmejslar på bordet i en rad och använt dem för att hålla extruderade profiler för bearbetning. Andra människor gör detta hela tiden och det fungerade utmärkt för mig också – men min erfarenhet är begränsad! Maskinisterna på Internet har tagit hand om detta.

Slutsatser

Nu vet du vad jag vet. Det är inte heltäckande, men det är en början, och jag hoppas att det besparar dig en trasig fräs eller någon annan huvudvärk!

Länkar:

• NYC CNC: Shapeoko Feeds & Hastigheter och bearbetningstips!
• Harvey Tool: Attackerar aluminium: En guide för maskinbearbetning
• Harvey Tool Blog: Speed and Feeds 101
• NYC CNC: Speeds & Feeds Tutorial for CNC Machines! WW164

Anmärkning:

Denna artikel innehåller information som återspeglar mina åsikter – jag lovar inget om dess användbarhet! Den kan innehålla fel (säg till om du hittar några!) och kommer att innehålla fördomar baserade på min begränsade erfarenhet. Om du inte håller med om något här är du välkommen att höra av dig. Detta är inte bara för att jag ska dela med mig av vad jag vet, utan också för att lära mig av andra. Jag lägger gärna in ytterligare information och avvikande åsikter så att läsarna blir mer medvetna om mångfalden av ”rätta” svar!

Förändringslogg:

Uppdaterad: Jag har lagt till en ny version: 12/5/19 – Värmebehandling och Mic 6, klättringsklippning, långsam varning och korrigering av beräkningsfel.

Uppdaterad:

1/9/21 – Lagt till skärare, strategiavsnitt och länkar.