Чем фрезеровать алюминий: фрезы, геометрия, режимы

Алюминий валит не твёрдостью, а липкостью. Он мягкий и режется легко, но тот же твердосплав, что чисто идёт по стали, на дюрали за пару проходов забивает канавки стружкой и тащит брак. Сложность тут не в усилии резания, а в налипании металла на кромку и отводе вязкой стружки. Разберём, какая геометрия фрезы тут работает, какое покрытие нужно (а какое вредит), чем литейный сплав отличается от деформируемого и на какие режимы ориентироваться.

В чём реальная сложность алюминия

Алюминий трудный не по твёрдости, а по адгезии и стружкоотводу. Металл липкий: при резании он стремится привариться к режущей кромке и нарастить на ней слой собственного материала. Это явление называют наростообразованием (built-up edge). Нарост меняет геометрию кромки, рвёт поверхность, а отвалившись, уносит с собой частицу твёрдого сплава, и кромка садится.

Вторая беда вытекает из первой. Стружка идёт крупная, вязкая, длинная. Если ей некуда уходить, она набивается в канавки фрезы, превращается в спрессованный ком и заклинивает инструмент в резе. Результат предсказуем: сорванная кромка, задиры на детали, иногда поломанная фреза. Поэтому вся логика подбора инструмента под алюминий крутится вокруг двух задач: не дать металлу налипнуть и обеспечить стружке свободный выход.

Геометрия фрезы под алюминий

Геометрия здесь решает больше, чем материал инструмента или режимы. Под алюминий фрезу проектируют специально, и отличить такую от стальной можно на глаз: меньше зубьев, круче спираль, зеркальная полировка канавок.

Малое число зубьев: Z2–Z3. Это первое и главное. Под алюминий берут двух- или трёхперую фрезу. Меньше зубьев значит больше места в канавке под крупную вязкую стружку, ей есть куда уходить. Многозубая фреза (Z4 и выше) на алюминии забивается почти гарантированно: узкие канавки не успевают эвакуировать объём стружки, она спрессовывается и клинит инструмент. Z2 берут под глубокий черновой съём с максимальным объёмом стружки, Z3 как компромисс с упором на производительность и чуть лучшую чистоту.

Большой угол спирали: порядка 35–45°. Крутая винтовая канавка активнее выталкивает стружку вверх, прочь из зоны реза, и сам рез идёт мягче, с меньшими вырывами. По сравнению со стальными фрезами (там угол умереннее, около 30°, в обмен на жёсткость кромки) алюминиевая спираль заметно агрессивнее именно ради стружкоотвода.

Полированные канавки и острая отполированная кромка. Зеркальная поверхность канавки и заточенная до бритвенной остроты режущая кромка нужны для одного: чтобы стружка скользила, а не цеплялась и не приваривалась. Шероховатая поверхность для алюминия гибельна, на ней металл цепляется и тут же начинает нарастать. Острая кромка режет металл чисто, не сминая его, а это снижает и нагрев, и склонность к наросту.

Объём стружечной канавки. Всё перечисленное сводится к одному принципу: канавка должна вмещать крупную стружку с запасом. Большое стружечное пространство плюс крутая спираль и гладкие стенки дают рабочую связку, при которой металл не задерживается в резе ни на оборот.

Покрытие: коротко и по делу

Под алюминий идёт либо непокрытый полированный инструмент (твёрдый сплав или HSS с зеркальной кромкой), либо покрытие DLC, у которого очень низкое трение и антиадгезионные свойства. А вот теплостойкие титановые покрытия (TiAlN, AlCrN) под алюминий противопоказаны. Причина не в толщине слоя, а в химии: титан покрытия родственен алюминию заготовки, при температуре резания они «схватываются» и дают тот же нарост на кромке. DLC выигрывает как раз химической инертностью и очень низким трением, а не гладкостью. Почему так и чем DLC отличается от титановых слоёв, подробно разобрано в обзоре покрытия инструмента, здесь повторяться не будем.

Материал фрезы и тип алюминия

Тут есть развилка, о которую спотыкаются, считая весь алюминий одинаковым. Сплавы делятся на две группы с принципиально разным характером, и под каждую нужен свой инструмент.

Деформируемые сплавы (Д16, дюраль, серия АМг) — самый ходовой случай в производстве. Они вязкие, но не абразивные. С ними справляется HSS на умеренных режимах, а твёрдый сплав работает на высоких скоростях с большим съёмом. Главная задача здесь, как и описано выше, борьба с налипанием и эвакуация стружки.

Литейные сплавы с кремнием (силумины АК12, АК9, высококремнистые марки) ведут себя иначе. Частицы кремния в структуре металла абразивны и работают как наждак: они интенсивно изнашивают и тупят режущую кромку. Обычная HSS-фреза на силумине садится очень быстро. Под литейные сплавы берут твёрдый сплав, а для серийной обработки высококремнистых марок переходят на PCD (поликристаллический алмаз) — алмазная кромка держит абразив несравнимо дольше карбида. Это различие важно учесть на этапе подбора: попытка фрезеровать силумин инструментом «как под дюраль» приводит к быстрому износу и нестабильному размеру.

Режимы резания: ориентиры, не закон

Сразу оговорка, без которой числа ниже опасны. Это ориентиры. Реальные режимы зависят от станка, жёсткости системы, оборотов шпинделя, типоразмера фрезы и конкретного сплава, и сильно гуляют от случая к случаю. Конкретные обороты и подачу под свою задачу считают через диаметр инструмента и сверяют с технологом.

Главное, что нужно знать про алюминий: он любит высокую скорость резания и высокие обороты. Твёрдым сплавом по алюминию работают на очень высоких скоростях резания (ориентир порядка 200–800 м/мин и выше, на жёстких скоростных станках бывает кратно больше). HSS заметно медленнее, его держит тепло. Высокая скорость тут не самоцель: на ней стружка получается тоньше и горячее, успевает уйти из зоны реза, налипание снижается. Съём металла допустим большой, но всё упирается в одно условие: стружку обязательно надо выводить из зоны. Без этого любая скорость кончается забитой канавкой.

Подачу на зуб берут ощутимую, чтобы кромка резала металл, а не тёрла его (трение как раз и провоцирует наклёп и нарост). Заниженная подача на алюминии вреднее завышенной: фреза начинает скользить и наклёпывать поверхность вместо чистого реза.

Охлаждение и эвакуация стружки

С алюминием цель СОЖ не та, что со сталью. Здесь главное не сбить температуру, а смазать кромку (чтобы металл не приваривался) и вымыть или выдуть стружку из зоны реза. Работают три подхода: обильная подача эмульсии, MQL (минимальная смазка масляным туманом) или просто обдув сжатым воздухом, который выносит стружку из канавок.

Сухое фрезерование алюминия многозубой фрезой почти гарантирует намотку стружки на инструмент и брак. Даже если режимы и геометрия подобраны верно, без принудительной эвакуации стружка остаётся в резе, греется, налипает и тащит за собой весь набор проблем. Поэтому охлаждение и обдув на алюминии стоят в одном ряду с самой фрезой: без них даже верная геометрия и режимы не спасут.

Типичные ошибки

Большинство провалов на алюминии сводится к нескольким повторяющимся промахам:

• Многозубая фреза. Z4 и выше под алюминий, канавки забиваются стружкой, инструмент клинит.
• Тупая или шероховатая кромка. Непокрытая, но плохо заточенная фреза, либо инструмент с титановым покрытием. Металл схватывается с кромкой и замазывает её.
• Низкие обороты. Алюминий недокручен по скорости, кромка трёт и наклёпывает поверхность вместо чистого реза.
• Нет эвакуации стружки. Сухой рез или вялый обдув, стружка остаётся в канавках и наматывается.
• Силумин обычной HSS-фрезой. Абразив кремния не учли, кромка садится за минуты, размер уходит.

Что из этого собрать

Связка под алюминий складывается из трёх вещей сразу: правильной геометрии (Z2–Z3, крутая спираль, полированные канавки), верного материала под конкретный сплав (твёрдый сплав или HSS для деформируемых, PCD под серийный силумин) и обязательной смазки с выдувом стружки. Выпадет любое звено, и липкий металл напомнит о себе наростом и забитой канавкой. Геометрию и материал фрезы под алюминий смотрите в разделе концевые фрезы, а тип сплава и режимы сверяйте под свой станок ещё до закупки.