De sterkte van 6061-T6-aluminium en CNC-bewerking

6061-T6-aluminium biedt een goede treksterkte, vloeigrens, afschuifsterkte, vermoeidheidssterkte en hardheid. Het wordt vaak gebruikt voor CNC-gefreesde beugels, verbindingsstukken, montageplaten en lichtgewicht constructiedelen. Deze eigenschappen bepalen niet alleen het draagvermogen van een onderdeel, maar zijn ook van invloed op de snijkrachten, de belasting van het gereedschap, de stabiliteit van de opspanning en de uiteindelijke maatnauwkeurigheid. De totale sterkte […]

De totale sterkte van 6061-T6 is hoger dan die van zuiver aluminium en veel aluminiumlegeringen met een lage sterkte, maar lager dan die van typische aluminiumlegeringen met een hoge sterkte en de meeste constructiestaalsoorten. Het belangrijkste voordeel is niet dat het in één enkele sterkteklasse de hoogste waarde heeft, maar dat het een praktisch evenwicht biedt tussen sterkte, gewicht en bewerkbaarheid.

Sterktegegevens van 6061-T6-aluminium

De onderstaande waarden geven de gebruikelijke, typische eigenschappen van 6061-T6-aluminium weer. De werkelijke resultaten kunnen variëren, afhankelijk van de materiaaldikte, de productvorm, de bemonsteringsrichting en de testnorm. Voor productiedoeleinden dient het materiaalcertificaat van de leverancier als definitieve referentie te worden beschouwd.

MPa is de internationaal erkende eenheid voor spanning, en 1 MPa is gelijk aan 1 N/mm². Bij berekeningen wordt de belasting doorgaans uitgedrukt in newton (N) of kilonewton (kN), terwijl de dwarsdoorsnede wordt uitgedrukt in vierkante millimeter (mm²). HBW is de standaardafkorting voor Brinell-hardheid en is geen eenheid voor spanning.

Treksterkte en CNC-bewerking

De typische maximale treksterkte van 6061-T6-aluminium bedraagt ongeveer 290–310 MPa. De treksterkte geeft de maximale technische spanning aan die het materiaal kan weerstaan voordat het onder trekbreuk lijdt, en wordt doorgaans gemeten door middel van een standaard trektest. Tijdens de test wordt een gestandaardiseerd proefstuk in een universele testmachine uitgerekt totdat het breekt, waarbij de maximaal uitgeoefende belasting wordt geregistreerd.

De berekening is als volgt:

Ultieme treksterkte (MPa) = Maximale trekbelasting (N) ÷ Oorspronkelijke dwarsdoorsnede (mm²)

Als een proefstuk met een oorspronkelijke dwarsdoorsnede van 50 mm² bijvoorbeeld een maximale trekspanning van 15.000 N bereikt, bedraagt de treksterkte 300 MPa.

Deze sterkte is voornamelijk te danken aan fijne, versterkende neerslagdeeltjes die worden gevormd door magnesium en silicium. Deze deeltjes zijn verspreid over de aluminiummatrix en beperken de beweging van dislocaties, waardoor continue plastische vervorming wordt bemoeilijkt. Ook een kleine hoeveelheid koper kan bijdragen aan de verouderingsverharding.

Met een treksterkte van 290–310 MPa is 6061-T6 geschikt voor apparatuurbeugels, mechanische verbindingsstukken, frameonderdelen en montageplaten die aan matige belastingen worden blootgesteld. Bij CNC-bewerking geeft de treksterkte de algehele weerstand van het materiaal tegen breuk onder trekbelasting weer, maar deze kan niet op zichzelf worden gebruikt om de snijkracht te voorspellen. De werkelijke bewerkingsbelasting wordt ook beïnvloed door de afschuifsterkte, hardheid, gereedschapsgeometrie en snijparameters.

Vloeigrens en vervorming bij bewerking

De typische vloeigrens van 6061-T6-aluminium bedraagt ongeveer 240–276 MPa. Dit geeft de spanning aan waarbij het materiaal een blijvende plastische vervorming begint te ondergaan. Aangezien 6061-T6 doorgaans geen duidelijk afgebakend vloeiplatau vertoont, maken ingenieurs vaak gebruik van de 0,2%-offsetmethode en bepalen ze de waarde aan de hand van de spanning-rekcurve die tijdens een trektest is verkregen.

De basisverhouding is:

Vloeispanning (MPa) = Vloei-kracht (N) ÷ Oorspronkelijke dwarsdoorsnede (mm²)

Als een proefstuk met een dwarsdoorsnede van 50 mm² bijvoorbeeld een permanente rek van 0,2% bereikt bij een belasting van 13.000 N, bedraagt de bijbehorende vloeigrens ongeveer 260 MPa.

De vloeigrens is ook voornamelijk te danken aan door veroudering ontstane neerslagdeeltjes van magnesium en silicium. Deze fijne deeltjes remmen de verschuiving van dislocaties af, waardoor het materiaal een hogere spanning moet kunnen weerstaan voordat blijvende vervorming optreedt. Onvoldoende kunstmatige veroudering of overmatige grofkorrelvorming van de neerslagdeeltjes kan de vloeigrens verlagen.

Dankzij de relatief hoge vloeigrens zijn onderdelen van 6061-T6 goed bestand tegen blijvende vervorming als gevolg van klem- en snijkrachten. Hierdoor is het materiaal geschikt voor opspanningsvoeten, verbindingsplaten en constructieonderdelen die worden blootgesteld aan montagebelastingen. Bij dunwandige, langgerekte of plaatselijk niet-ondersteunde onderdelen kunnen echter nog steeds deuken, kromtrekken of maatfouten ontstaan als de klemdruk te geconcentreerd wordt.

Afschuifsterkte en snijkracht

De typische afschuifsterkte van 6061-T6-aluminium bedraagt ongeveer 190–210 MPa. De afschuifsterkte geeft aan in hoeverre het materiaal bestand is tegen bezwijken onder invloed van parallelle krachten die in tegengestelde richtingen werken. Deze wordt doorgaans gemeten met behulp van een enkelvoudige afschuifproef of dubbele-schuifproef.

De berekening is als volgt:

Afschuifsterkte (MPa) = Maximale afschuifbelasting (N) ÷ Effectief afschuifoppervlak (mm²)

Als het effectieve afschuifoppervlak bijvoorbeeld 40 mm² bedraagt en de maximale afschuifbelasting 8.000 N is, dan bedraagt de afschuifsterkte 200 MPa. Bij een dubbele afschuifproef zijn er twee afschuifvlakken, dus moeten de oppervlakten van beide vlakken in de berekening worden meegenomen.

De afschuifsterkte wordt beïnvloed door de aluminiummatrix, de versterkende Mg₂Si-precipitaten, kleine hoeveelheden koper en de korrelstructuur. Fijne, gelijkmatig verdeelde precipitaten verbeteren de weerstand tegen afschuifvervorming, terwijl grove deeltjes van de secundaire fase plaatselijke scheurontstaanspunten kunnen vormen.

Bij CNC-snijden wordt materiaal in wezen verwijderd door middel van afschuifvervorming en afscheiding vóór de snijkant. De afschuifsterkte staat daarom in een relatief direct verband met de snijkracht, de spaandervorming en de belasting van de spil. Bij het bewerken van smalle sleuven, randen van gaten of dunne secties kunnen een bot gereedschap of een te hoge voedingssnelheid leiden tot meer bramen, randscheuren en plaatselijke vervorming.

Brinell-hardheid en gereedschapsbelasting

De typische Brinell-hardheid van 6061-T6-aluminium bedraagt ongeveer 95 HBW, wat binnen de gangbare aluminiumlegeringen als een gemiddeld tot hoog niveau wordt beschouwd. HBW geeft aan dat de hardheidswaarde is gemeten met behulp van een indringer met een bolletje van wolfraamcarbide. Het is geen spanningseenheid zoals MPa of N/mm².

Tijdens de test wordt een kogel van wolfraamcarbide onder een bepaalde kracht in het materiaaloppervlak gedrukt. Na het wegnemen van de kracht wordt de gemiddelde diameter van de indrukking gemeten en wordt de hardheid berekend aan de hand van de testkracht, de diameter van de kogel en de grootte van de indrukking. De testkracht wordt uitgedrukt in newton (N), de bal- en indrukdiameters in millimeter (mm) en de inwerktijd in seconden (s).

Een volledig resultaat kan als volgt worden geschreven:

95 HBW 10/500/30

Waar:

10 staat voor een diameter van de kogelindrukker van 10 mm

500 geeft het niveau van de testkracht aan

30 staat voor een verblijftijd van 30 s

De hardheid van 6061-T6 is voornamelijk te danken aan fijne neerslagdeeltjes die worden gevormd door magnesium en silicium. Een kleine hoeveelheid koper kan het verouderingshardingsproces versterken, terwijl chroom helpt bij het beheersen van de korrelstructuur en de herkristallisatie. IJzer is geen primair versterkend element, en overmatige grove ijzer-siliciumfasen kunnen de ductiliteit en de oppervlakte-eigenschappen na bewerking verminderen.

Een hardheid van ongeveer 95 HBW zorgt ervoor dat 6061-T6 redelijk goed bestand is tegen indrukken en draagt bij aan het behoud van zuivere randen van gaten, schroefdraden en bewerkte profielen. Bij CNC-bewerking beïnvloedt de hardheid de invoer van het gereedschap en de slijtage van de snijkant. Naarmate het gereedschap bot wordt, kan het proces verschuiven van zuiver afschuiven naar wrijving en compressie, waardoor opbouw aan de snijkant, bramen, oppervlaktebeschadigingen en maatafwijkingen toenemen.

Vermoeidheidssterkte en oppervlaktekwaliteit

De typische vermoeiingssterkte van 6061-T6-aluminium bedraagt ongeveer 95–100 MPa, maar deze waarde moet altijd in samenhang met het opgegeven aantal belastingscycli worden gezien. Aluminiumlegeringen hebben over het algemeen geen duidelijk gedefinieerde permanente vermoeidheidsgrens, dus de vermoeidheidssterkte mag niet worden gebruikt zonder rekening te houden met het aantal cycli.

De vermoeiingsweerstand wordt doorgaans gemeten door middel van roterende buigproeven of cyclische axiale belastingstests. Proefstukken worden herhaaldelijk belast bij verschillende spanningsniveaus, het aantal cycli tot breuk wordt geregistreerd en er wordt een S-N-curve opgesteld. In deze curve staat S voor de cyclische spanning in MPa, terwijl N het aantal cycli tot breuk aangeeft.

Cyclische spanning kan nog steeds worden berekend op basis van de belasting en de dwarsdoorsnede:

Cyclische spanning (MPa) = Cyclische belasting (N) ÷ Effectieve dwarsdoorsnede (mm²)

De vermoeidheidsweerstand wordt niet alleen beïnvloed door magnesium-siliciumversterkende neerslagdeeltjes, maar ook door de korrelgrootte, grove deeltjes van de secundaire fase, insluitsels en oppervlaktefouten. Fijne en gelijkmatig verdeelde neerslagdeeltjes dragen bij aan de versterking van de matrix, terwijl grove deeltjes en insluitsels het beginpunt van vermoeidheidsscheuren kunnen vormen.

Bij CNC-gefreesde onderdelen die worden blootgesteld aan trillingen, heen-en-weerbewegingen of wisselende belastingen, kunnen diepe freessporen, bramen aan de randen van gaten, krassen en scherpe hoeken spanningsconcentraties veroorzaken. Daarom vereisen 6061-T6-onderdelen die worden gebruikt in robotconnectoren, trillingsbeugels en herhaaldelijk belaste montageconstructies een zorgvuldige controle van de afwerkingsvoeding, de slingering van het gereedschap, het afschuinen en de kwaliteit van het ontbramen.

Hoe sterkte van invloed is op CNC-snijden

De verschillende sterkte-eigenschappen van 6061-T6 beïnvloeden CNC-bewerking op verschillende manieren. De treksterkte geeft het totale draagvermogen weer, de vloeigrens houdt verband met blijvende vervorming, de afschuifsterkte is van invloed op de kracht die nodig is om het materiaal te scheiden, en de hardheid beïnvloedt de grip van het gereedschap, de wrijving en de slijtage van de snijkant.

In vergelijking met puur aluminium biedt 6061-T6 een hogere snijweerstand, maar deze weerstand is nog steeds aanzienlijk lager dan die van staal. Het materiaal is daarom zeer geschikt voor CNC-frezen en -draaien op hoge snelheid. Standaard constructiedelen behouden doorgaans stabiele profielen, terwijl dunne wanden, diepe holtes en lange overhangen nog steeds verplaatsing, terugvering of trillingen kunnen vertonen vanwege de beperkte lokale stijfheid.

Deze krachtwaarden kunnen niet rechtstreeks worden omgerekend naar vaste spiltoerentallen of voedingssnelheden. De werkelijke snijkracht wordt bovendien beïnvloed door de gereedschapsdiameter, het aantal snijgroeven, de spaanhoek, de overhang van het gereedschap, de axiale snijdiepte en de radiale snijbreedte.

CNC-freesparameters voor 6061-T6

Bij het gebruik van een scherpe, uit volhardmetaal vervaardigde frees met 2 of 3 snijranden, die is ontworpen voor aluminium, kunnen de volgende algemene startparameters worden gebruikt:

Hogere voedingssnelheden en grotere snijdieptes kunnen de materiaalafname verbeteren, maar zorgen ook voor een grotere snijkracht en een hogere belasting van het gereedschap. Bij het bewerken van dunwandige onderdelen, onderdelen met diepe holtes of onderdelen die een hoge precisie vereisen, kan het verminderen van de radiale belasting en de snijbelasting per snijgang helpen om de verplaatsing van het werkstuk en de doorbuiging van het gereedschap te beperken.

Deze waarden dienen uitsluitend als uitgangspunt. De definitieve instellingen moeten worden aangepast aan de hand van de gereedschapsdiameter, het aantal snijkanalen, de stijfheid van de machine, de overhang van het gereedschap en de opspancondities.

Gereedschapskeuze en smering

Scherpe hardmetalen gereedschappen met 2 of 3 snijgroeven, ontworpen voor aluminium, zijn over het algemeen geschikt voor de bewerking van 6061-T6. Grote spaangroeven en scherpe snijkanten helpen de snijkracht, de opbouw van spaanresten en de vorming van bramen te verminderen.

Minimale-hoeveelheidssmering, of MQL, kan de wrijving tussen het gereedschap en het werkstuk verminderen en tegelijkertijd de slijtage van het gereedschap en de oppervlakteruwheid helpen beheersen. Uit relevante experimenten blijkt dat de voedingssnelheid en de snijdiepte een aanzienlijke invloed hebben op de kwaliteit van het bewerkte oppervlak van 6061-T6, terwijl ook het toerental van de spil en het debiet van het smeermiddel gezamenlijk moeten worden aangepast.

Onder specifieke MQL Onder testomstandigheden leverden hardmetalen gereedschappen met een TiAlN+TiN-dubbellaagcoating gunstige resultaten op wat betreft de oppervlakteruwheid. In de praktijk moet de keuze van het gereedschap echter nog steeds worden gebaseerd op de geometrie van het gereedschap, de machineomstandigheden en de gekozen snijparameters.

Beheersing van vervorming tijdens de bewerking

6061-T6 heeft een relatief hoge vloeigrens, maar dunwandige onderdelen en componenten waarbij veel materiaal moet worden verwijderd, kunnen toch kromtrekken als gevolg van snijkrachten, klemdruk en veranderingen in de interne spanningsbalans.

Veelgebruikte bestrijdingsmethoden zijn onder meer:

Een gelijkmatige en gematigde klemdruk uitoefenen

Ondersteuning van dunwandige en niet-ondersteunde delen

Materiaal symmetrisch verwijderen

Voorbewerking en nabewerking in verschillende fasen opsplitsen

Een gelijkmatige naai- en afwerkingsmarge overlaten

Kritische afmetingen als laatste bewerken

Het belangrijkste doel van deze maatregelen is het verminderen van geconcentreerde snijbelastingen en het beperken van terugvering en maatveranderingen na de bewerking.

Hoe Weldo onderdelen van 6061-T6 bewerkt

Weldo Machining bepaalt het gereedschap, de opspanningsmethode en de bewerkingsvolgorde op basis van de wanddikte, het materiaalafnamevolume, de kritische toleranties en de belastingsvereisten van elk 6061-T6-onderdeel.

Bij onderdelen met dunne wanden, diepe holtes en een hoge vlakheid wordt vaak gebruikgemaakt van materiaalverwijdering in fasen en nabewerking met lage belasting om de invloed van de snijkracht op de afmetingen en de oppervlaktekwaliteit te beperken. Na de bewerking kunnen de kritische afmetingen, de posities van de gaten en de oppervlakteruwheid worden gecontroleerd aan de hand van de eisen in de tekening.

Conclusie

Dankzij de treksterkte, vloeigrens, afschuifsterkte, vermoeidheidssterkte en hardheid van 6061-T6 voldoet dit materiaal aan de belastingsvereisten van talrijke lichtgewicht constructieonderdelen, terwijl het tegelijkertijd goed CNC-bewerkbaar blijft.

Bij de praktische verspaningsbewerking zijn de afschuifsterkte en de hardheid vooral van invloed op de snijkracht en de belasting van het gereedschap, houdt de vloeigrens verband met blijvende vervorming en is de vermoeidheidssterkte nauw verbonden met de integriteit van het bewerkte oppervlak. Een juiste afstemming van gereedschap, snijparameters, opspanning en bewerkingsvolgorde is noodzakelijk om de sterktevoordelen van 6061-T6-aluminium ten volle te benutten.