CNC 加工アルミニウム合金材料の知識: グレード、質質、選択

アルミニウムは地殻に最も豊富に存在する金属元素であり、現代の製造業で最も広く使用されている非鉄金属です。家庭用ホイルや飲料缶などの日用品に加え、宇宙船の構造や潜水艦の部品などの要求の厳しい用途にも使用されています。ただし、CNC 機械加工では、ワークピースが純アルミニウムであることはほとんどありません。ほぼすべての機械加工部品は、強度、耐食性、機械加工性、寸法安定性、コストのバランスを考慮して選択された特定の鍛造合金と焼き戻しから製造されます。

機械加工に影響を与える主要な特性

アルミニウムは、高い延性と可塑性、低密度、優れた電気伝導性と熱伝導性、信頼性の高い耐食性を兼ね備えています。新たに切断した表面が空気にさらされると、薄くてしっかりと付着した酸化膜が自然に形成され、その下の金属を保護します。より硬く、より耐摩耗性の高い表面が必要な場合は、陽極酸化処理によって同じ皮膜を意図的に厚くすることができます。以下の特性により、マシニング センター上で材料がどのように動作するかが決まります。

密度：一般的な合金では約 2.70 g/cm3 (6061 では 2.70、7075 では 2.81)、炭素鋼の約 3 分の 1 です。

融点:純アルミニウムの場合は約 660 ℃であり、炭素鋼の約 1450 ℃よりもはるかに低いため、高温での使用は適切ではありません。

熱伝導率:鍛錬合金では約 200 ～ 235 W/(mK)、炭素鋼では約 50 W/(mK)。熱はすぐに切断ゾーンから出ますが、治具や機械フレームにも流れ込みます。

弾性率:約 69 GPa なので、薄い壁や細い工具はたわみやすく、リブや半径方向のかみ合いの減少による恩恵を受けます。

熱膨張:K あたり約 23 x 10-6 であり、鋼の約 2 倍であるため、公差が厳しい場合には温度管理が不可欠になります。

リサイクル可能性:リサイクルされたアルミニウムを再溶解すると、一次金属の製造に必要なエネルギーが最大 95 パーセント節約されます。

同じ特性が材料の限界を定義します。アルミニウムはスチールよりも柔らかいため、大きな衝撃や極度の荷重に耐えなければならない部品には第一の選択肢ではありません。高い熱膨張と低い融点は、過度の切削熱によって歪みが生じ、厳しい公差を維持することが困難になることを意味します。また、剛性が低いため、サポートされていない部分を積極的に加工するとビビリが発生しやすくなります。

8 つの鍛造合金シリーズ

鍛造アルミニウムは、主要な合金元素に応じて 8 つのシリーズに分類されます。各シリーズには特徴的な一連の特性があり、通常、シリーズの選択は、他の単一の決定よりも、機械加工部品に関してより多くの決定を下します。

シリーズ 3000、4000、および 5000 合金は熱処理によって強化することはできません。冷間圧延、つまり加工硬化によってのみ強度が得られます。シリーズ 1000 は最も安価で最も導電性が高く、シリーズ 2000 と 7000 は最高の強度を実現し、シリーズ 6000 は強度、耐食性、溶接性、機械加工挙動の間で最適な妥協点を提供します。

焼き戻し指定と熱処理

焼き戻し指定は合金番号に続き、素材の冶金学的状態を表します。機械加工部品の場合、最もよく指定される焼き戻しは、焼きなましされた材料の場合は O、H14、H22、H24 などのひずみ硬化焼き戻しの場合は H、熱処理された焼き戻しの場合は T です。 T グループはさらに分類されます。T4 は溶体化熱処理とそれに続く自然時効処理をカバーし、T5 は高温成形プロセスからの冷却とそれに続く人工時効処理をカバーします。T6 は溶体化熱処理とそれに続く人工時効処理をカバーします。. 6061-T6 と 7075-T6 は、精密部品で最も頻繁に引用される 2 つの質別です。

熱処理は加工パラメータではありませんが、ほぼすべての加工パラメータを変更します。溶体化処理とそれに続く人工時効処理により、降伏強度と硬度が向上し、切りくず形成と切削抵抗が変化し、歪みのリスクが増加します。部品が T6 ストックから製造される場合、治具を開いた後に材料除去によって解放された残留応力によって部品が許容範囲外にならないように、軽い仕上げパスと応力除去バーを推奨します。

特定の機械加工部品用の合金の選択

汎用構造部品:6061-T6 は、優れた強度、優れた耐食性、溶接性、およびきれいな陽極酸化外観を提供します。

薄肉部分で最高の強度:7075-T6 は一般的なグレードの中で最高の強度を提供しますが、過度の歪みを発生させずに重い部分を焼き入れする必要がある場合には 7050 が推奨されます。

大量のネジ加工:快削材種 2011 および 2024 は、耐食性を犠牲にして切りくずをきれいに分断し、高い送り速度に耐えます。

電気および熱ハードウェア:1050、1060、および 1100 は、最高の導電率と最低の原材料コストを活用します。

海洋および圧力用途:5052 および 5083 は塩水攻撃に耐性があり、耐食性が強度を上回る場合に好まれます。

建築用押出材とハウジング:6063 は適度な強度を備えた滑らかなアルマイト表面を与えます。

機械加工の実践とプロセス管理

アルミニウムは、6061-T6 の超硬工具を使用し、研磨されたフルート、十分なすくい角、およびフラッドクーラントまたは高圧エアミストを使用して、高い表面速度 (頻繁に 200 ～ 600 m/min) で切削されます。主なリスクは、柔らかい焼き戻しでのエッジの蓄積、深いポケットでの切りくずの詰まり、および薄肉での熱歪みです。鋭利なコーティングされていない超硬または研磨ダイヤモンドコーティングされた工具、軽い半径方向のかみ合いを備えたクライムミーリング、および短い溝長はすべて安定性を向上させます。

中サイズの部品ではプラスまたはマイナス 0.05 mm の一般公差が達成可能ですが、形状が剛性で熱的に安定している場合はプラスまたはマイナス 0.01 mm が現実的です。 Ra 3.2 マイクロメートルから Ra 0.8 マイクロメートルまでの表面仕上げは日常的に行われ、その後の陽極酸化、クロム酸塩処理コーティング、またはレーザーマーキングが一般的な作業です。図面で一般公差システムが参照される場合、クラス m または f の ISO 2768 が原則として参照され、完成品の機械的検証は通常、引張試験については ASTM E8/E8M、または微小圧痕硬度については ASTM E384 に従います。

よくある質問

Q: CNC 機械加工部品に最適なアルミニウム合金はどれですか?
6061-T6 は、強度、耐食性、溶接性、コストのバランスが取れているため、ほとんどのコンポーネントに適しています。 7075-T6 は、より高い強度がより高い価格と耐食性の低下を正当化する場合にのみ指定し、5083 または 5052 は、塩水への曝露が設計の主要な部分を占める場合にのみ指定してください。

Q: アルミニウム合金は機械加工後に熱処理できますか?
2000、6000、7000 シリーズの析出硬化型合金のみが熱処理に反応します。シリーズ 1000、3000、4000、および 5000 合金は冷間加工によって強化されるため、熱処理を行っても軟化するだけです。

Q: アルミニウムが加工中に歪むのはなぜですか?
融点が低いため材料が吸収できる熱が制限され、熱膨張係数は鋼の約 2 倍であり、圧延または押出された素材に閉じ込められた残留応力は材料が除去されるときに解放されるという 3 つの効果が組み合わされます。応力を緩和したストック、対称的な材料の除去、および豊富な冷却剤のすべてが問題を軽減します。

Q: 焼き戻しは機械加工性にどのような影響を与えますか?
O や H14 などの柔らかい焼き戻しでは、長いゴム状の切りくずが形成され、切れ刃に蓄積します。一方、T6 や T651 の焼き戻しでは、短く、十分に破壊された切りくずが生成され、しっかりと保持された部品の表面仕上げが向上し、より高い切削速度が可能になります。

Q: アルミニウム機械加工部品の現実的な公差はどれくらいですか?
プラスまたはマイナス 0.05 mm の一般公差は正常で、温度制御によりプラスまたはマイナス 0.02 mm を達成できます。プラスまたはマイナス 0.01 mm には、安定した治具、適合する工具、および制御された環境での検査が必要です。

Q: 加工後のアルミニウム部品はどのように保護すればよいですか?
陽極酸化処理は摩耗と外観のために硬い酸化物層を形成し、クロメート化成コーティングは腐食保護を追加しながら導電性を維持します。すぐに塗装または組み立てられる部品には、気相保護を備えたシンプルな密閉パッケージで十分です。