Aluminium har unika egenskaper och kan uppträda i en färgskala från vitt till silver. Det är korrosionsbeständigt som guld, segt som järn, lika smältbart som koppar och lika lätt som glas. Metallen är lättbearbetad och utvinns ur aluminiumoxid som är en vanlig beståndsdel i många bergarter och därför finns på många platser i naturen. Aluminium är tre gånger lättare än järn så det verkar som om det skapades för att ge oss material till föremål där låg vikt och hög hastighet är viktigt – till exempel flygplan, bilar och sportutrustning! Denna egenskap hos aluminium – som beskrevs redan på 1800-talet av den franske romanförfattaren, poeten och dramatikern Jules Verne – förklarar varför aluminium och dess legeringar har blivit viktiga konstruktionsmaterial. Dess lätta vikt, goda formbarhet och bearbetbarhet samt höga korrosionsbeständighet har gjort aluminium extremt populärt inom flyg-, fordons- och förpackningsindustrin, liksom för tillverkning av gjutformar, hushållsartiklar och mycket annat. I sin rena form används aluminium endast i begränsad omfattning. I de flesta industriella tillämpningar används aluminium i stället i olika legeringar med exempelvis koppar, magnesium, kisel, zink m.m. När man talar om bearbetning av aluminium syftar man därför oftast på dessa aluminiumlegeringar.
Aluminium anses vara ett lättbearbetat material. Den allmänt rådande uppfattningen är att bearbetning av aluminium inte är förenad med några särskilda problem. "Ta ett vasst skärande verktyg och bearbeta aluminium så snabbt det bara går" är en princip som många i tillverkningsindustrin arbetar efter. Och det stämmer faktiskt att aluminium är ett av de mest bearbetningsbara materialen. Den viktigaste uppgiften vid bearbetning av aluminium blir därför att säkerställa maximal produktivitet utifrån verktygsmaskinernas kapacitet. Detta stämmer visserligen bra, men det är viktigt att förstå att skärverktyget inte bara ska säkerställa hög produktivitet. Verktygets livslängd är också en viktig faktor för den totala ekonomin – verktygen ska hålla ett tag och inte gå sönder direkt. Vilka är då de största problemen vid bearbetning av aluminium och vilka krav ställs på ett skärande verktyg för att komma till rätta med dessa?
Även fast aluminium har goda bearbetningsegenskaper finns ett del utmaningar. Här listar vi några av dem:
• Skillnader i bearbetbarhet
Vid bearbetning av aluminium finns det flera faktorer att ta hänsyn till, bland annat aluminiumlegeringens kemiska sammansättning. Exempelvis påverkar andelen kisel verktygens livslängd. Ytterligare en faktor är legeringens tillverkningsmetod. Här finns det två huvudgrupper – gjutna och smidda aluminiumlegeringar, där de smidda är absolut vanligast. Dessa två grupper kan sedan delas in ytterligare beroende på om legeringen kan värmebehandlas eller inte. Dessutom har användningen av sintrerade aluminiumlegeringar ökat inom industrin. Alla dessa faktorer påverkar bearbetbarheten, som kan variera inom relativt vida gränser. Bearbetbarheten hos vissa aluminiumlegeringar kan vara ungefär hälften av den för kommersiellt rent aluminium.
• Spånevakuering
Aluminium bildar långa, lockiga spånor vid bearbetningen och dessa kan linda sig runt skärverktyget och arbetsstycket. Detta kan ge problem med spånevakueringen och försämra ytjämnheten.
• Löseggsbildning
Vid bearbetning av aluminium fastnar lätt material på skäreggen, så kallad lösegg, vilken försämrar ytjämnheten och noggrannheten. Det är aluminiumets höga värmeledningsförmåga som bidrar till löseggsbildningen.
• Ytjämnhet
När aluminium klibbar fast på skärverktyget försämras ytjämnheten på arbetsstycket.
• Bearbetningsstabilitet
Aluminium är en lättböjlig metall vilket gör att det lätt uppstår vibrationer vid bearbetningen. Detta försämrar resultatet.
Den till synes enkla bearbetningen av aluminium är alltså förknippad med flera problem som kräver lämpliga lösningar. Skärverktygets roll för att nå framgång i denna process är knappast försumbar, utan snarare kritisk. Vid utvecklingen av skärande verktyg för bearbetning av aluminium finns flera aspekter som man måste ta hänsyn till.
Verktygsmaterial
Med verktyg av avancerade (även belagda) hårdmetallsorter och extra hård polykristallin diamant (PCD) kan prestandan förbättras betydligt.
Skärgeometri
En viktig faktor för hur effektivt skäret klarar uppgiften är dess skärgeometri. Spån- och släppningsvinklarna, eggens skärpa, topologin på de spånformande ytorna och formen på spånutrymmena måste optimeras. En optimerad skärgeometri ger fritt spånflöde och mindre löseggsbildning.
Verktygens konstruktion
Eftersom aluminium tillåter mycket höga skärhastigheter roterar skärverktyget väldigt snabbt med hög centrifugalbelastning som följd. Detta ställer ytterligare krav på verktygets dynamiska egenskaper och balansering, särskilt när det gäller vändskärsverktyg och modulära verktygslösningar. För att förbättra spånevakueringen och motverka löseggsbildning är det viktigt med effektiv kylning. Riktad kylvätsketillförsel direkt till skärzonen via verktygskroppen är ett bra sätt att förbättra kylningen och smörjningen vid skärande bearbetning.
I den ledande verktygstillverkaren ISCAR:s produktsortiment finns ett stort antal skärande verktyg för bearbetning av aluminium. Dessa verktyg spelar en viktig roll bland de lösningar för svarvning, fräsning, håltagning och gängning som företaget erbjuder. Under senare år har ISCAR introducerat flera nya lösningar för dessa produkter. Nyheterna visar tydligt hur utvecklingstrenderna inom verktyg för bearbetning av aluminium ser ut.
DLC-beläggningar (Diamond Like Carbon) ger hög hårdhet i kombination med utmärkt slitstyrka. Låg friktion mellan DLC och aluminium bidrar dessutom till att spånorna klibbar mindre med avsevärt minskad löseggsbildning som resultat. Dessa egenskaper gör att DLC-beläggningarna är idealiska för bearbetning av icke-järnhaltiga metaller, särskilt aluminium som innehåller upp till 12 % kisel. ISCAR:s två DLC-belagda hårdmetallsorter – IC1520 för skär för svarvning och spårsvarvning (bild 1) och IC1508 för solida pinnfräsar och avstickningsskär – ger större möjligheter för kunden att öka effektiviteten.
ISCAR:s standardsortiment med vändskär har utökats med en del nya skär vars geometrier är särskilt konstruerade för bearbetning av aluminium. Till exempel dubbelsidiga högprecisionsskär för spårsvarvning och dubbelsidiga ISO-svarvskär. Samtliga har polerade spånsidor med specialformade spånbrytare för att eliminera löseggsbildning och säkerställa en jämn och mjuk svarvning. ISCAR har även utökat verktygsgrupperna av solid hårdmetall med nya pinnfräsar som har variabel skärgeometri för förbättrad vibrationsdämpning.
Snabbväxlingsverktyg är en av de viktigaste trenderna inom metallbearbetningsindustrin. Specifikt för kunder som är involverade i bearbetning av aluminiumfälgar har ISCAR utvecklat en ny serie modulära snabbväxlingsverktyg för olika utvändiga och invändiga svarvoperationer, inklusive profilering och underskärning, planfräsning och uppborrning (bild 2).
Inom kategorin vändskärsfräsning utökar ISCAR sitt HELIALU-sortiment med ett antal skär tillverkade av en hård submikronsort som gör att skäret bibehåller sin skärpa. Dessa nya högprecisionsskär har en stor positiv spånvinkel och en polerad spånsida. De är avsedda för fräsning av aluminium och aluminium-litiumlegeringar med mycket höga matningshastigheter (bild 3).
Även det populära och mångsidiga MULTI-MASTER-sortimentet bestående av verktyg med utbytbara skärhuvuden, har utökats med en del nya produkter, till exempel treskäriga 90° fräshuvuden av solid hårdmetall med vibrationsdämpande skärgeometri och fyrskäriga barrelmills för 5-axlig fräsning av komplexa ytor.
Den additiva tillverkningen (AM) har verkligen öppnat upp för nya sätt att utveckla verktyg. Exempelvis finns nu nya utbytbara huvuden försedda med vändskär med gängade MULTI-MASTER- och FLEXFIT-kopplingar (bild 4) som går att få med invändiga kylkanaler för högtryckskylning (HPC) och kylvätskeutlopp tillverkade med 3D-printning. Dessa kylvätskekanaler har optimerats med hjälp av beräkningsbaserad strömningsdynamik. Tack vare MULTI-MASTER- och FLEXFIT-familjernas modularitet kan kunden lätt anpassa verktygen efter behov och välja mellan ett stort antal utbytbara adaptrar, förlängare och reduceringsdelar. Med dessa nya huvuden, som även passar utmärkt för bearbetning med minimalsmörjning (MQL), blir det möjligt att bearbeta aluminiumlegeringar – även nötningsbenägna sådana med hög kiselhalt – i många fler tillämpningar.
Med hjälp av additiv tillverkning är det möjligt att ta fram smarta verktygskonfigurationer som uppfyller kraven vid specifika tillämpningar. Ett bra exempel på detta är ett speciellt uppborrningsverktyg med PCD-skär. Konstruktörerna har tagit fram denna innovativa lösning genom att använda 3D-printing kombinerat med optimering genom strukturanalys med hjälp av finita elementmetoden (FEM) (bild 5). Så är aluminium verkligen så lättarbetat som det har rykte om sig att vara? Ja, förmodligen, men bara om du använder riktigt effektiva verktyg.
