Выбор материалов для обработки на станках с ЧПУ определяет не только функциональность и долговечность конечной детали, но и стоимость, время производства и необходимую технологию обработки.
Существует множество различных видов металлов и пластмасс на выбор. Вам нужна легкость и прочность алюминия, или коррозионная стойкость нержавеющей стали? Или вам нужен высокоэффективный пластик, например, PEEK, или ABS Допустимый выбор?
В этом руководстве рассматриваются наиболее часто обрабатываемые на станках с ЧПУ материалы, обсуждается влияние их характеристик на процесс обработки, а также приводятся практические рекомендации, которые помогут вам сделать правильный выбор для достижения наилучших результатов при минимальных затратах.
Материалы, наиболее часто используемые для обработки на станках с ЧПУ.
В процессе механической обработки могут использоваться практически все мыслимые типы материалов, но в промышленности чаще всего применяются металлы и пластмассы.
Металлические материалы, используемые для обработки на станках с ЧПУ
В станках с ЧПУ используются наиболее распространенные металлы благодаря их прочности, долговечности и термостойкости.
- алюминий:Этот металл, без преувеличения, является наиболее часто обрабатываемым на станках с ЧПУ металлом. По сравнению с другими металлами, он легкий, легко поддается обработке и обладает хорошим соотношением прочности к весу. Сплав 6061 — распространенный универсальный сплав, а 7075 — высокопрочный сплав, используемый в аэрокосмической промышленности. Благодаря своей коррозионной стойкости он используется в деталях для автомобильной, аэрокосмической и даже электронной промышленности.
- Нержавеющая сталь:Этот металл известен своей прочностью и устойчивостью к коррозии и ржавчине. По этим причинам он широко используется в медицинской, пищевой и морской промышленности. Марка 303 легче поддается механической обработке, а марки 304 и 316 — более прочные и обладают более высокой коррозионной стойкостью, но они более требовательны к режущим инструментам.
- Латунь: Этот металл также известен своей легкостью в обработке. Он обладает хорошей электропроводностью, очень приятной эстетичной поверхностью и практически не создает трения при механической обработке. По этим причинам его используют для изготовления клапанов, электрических форсунок и некоторых других электротехнических изделий.
- Титан: Благодаря своему соотношению прочности к весу, термостойкости и коррозионной стойкости, титан незаменим в аэрокосмической отрасли и при производстве медицинских имплантатов. Однако титан трудно поддается механической обработке, и его теплопроводность низка. Поэтому титан быстро изнашивает инструменты.
- Сталь (углеродистая и легированная): Сталь обеспечивает максимальную прочность и долговечность. Низкоуглеродистые стали, как правило, проще в обработке, чем высокоуглеродистые. Легированные стали, такие как 4140, используются в более тяжелых условиях эксплуатации и также поддаются термообработке. К таким областям применения относятся валы и шестерни.
Пластиковые материалы, используемые для обработки на станках с ЧПУ.
Благодаря своей легкости, изоляционным свойствам, а также способности противостоять агрессивным химическим средам, пластик часто является подходящим материалом. Он популярен, например, в медицинских и электронных устройствах, как на этапе прототипирования, так и на этапе окончательного производства устройств.
- ABS (акрилонитрилбутадиенстирол): ABS — один из самых распространенных конструкционных пластиков. Он дешев, легко поддается механической обработке и даже ударопрочен; это одна из многих причин, почему быстрое прототипирование часто используется в инженерной сфере.
- Нейлон (полиамид): Известный своей исключительной прочностью, долговечностью и износостойкостью, нейлон пользуется большим спросом для изготовления деталей с низким коэффициентом трения. Однако из-за высокой впитываемости нейлона, влага, присутствующая в воздухе, может воздействовать на него и вызывать деформацию.
- Делрин (ПОМ): Делрин идеально подходит для применения в высокоточной обработке пластмасс благодаря высокой стабильности размеров и низкому коэффициенту трения. Он также является популярным заменителем металла при изготовлении таких деталей, как крепежные элементы и втулки.
- PEEK (полиэфирэфиркетон): Для высокоэффективных применений, требующих устойчивости к экстремальным температурам, химически агрессивным средам и очень сложным условиям эксплуатации (например, в медицинской и аэрокосмической отраслях), используется дорогостоящий пластик, известный как PEEK.
- Поликарбонат (ПК): Поликарбонат также является очень востребованным конструкционным пластиком. Он прозрачен, известен своей высокой ударопрочностью, часто используется в широком спектре оптических применений, а также в защитных очках и системах, работающих с различными жидкостями.
Свойства материала и их влияние на обработку с ЧПУ
При обработке на станках с ЧПУ знание основных свойств материала поможет предсказать, как материал будет вести себя под воздействием режущего инструмента.
Твердость
Твердость показывает, какое напряжение может выдержать материал без деформации.
- Влияние: Если материал слишком твердый (например, закаленная сталь, титан), скорость резания придется резко снизить, чтобы избежать поломки инструмента, что, в свою очередь, увеличит время обработки и затраты.
- Совет по выбору: указывайте более высокий уровень твердости только в том случае, если материал будет подвергаться сильному износу или истиранию.
Machinability
Обрабатываемость — это легкость обработки определенного материала. Чаще всего это сравнительная оценка, где стали, обладающие обрабатываемостью (1212), получают 100% оценку.
- Влияние: Материалы с высокой обрабатываемостью (например, алюминий 6061, латунь) позволяют выполнять работу гораздо быстрее, с меньшим износом инструмента и будут дешевле в производстве.
- Совет по выбору: если это позволяет конструкция, всегда выбирайте материалы с более высокими показателями износостойкости, чтобы минимизировать затраты.
Термостойкость
Термическая стабильность материала — это его реакция на тепло.
- Влияние: Механическая обработка генерирует тепло трения. Если пластик обладает низкой термической стабильностью, он может расплавиться или деформироваться при слишком агрессивной обработке. Металлы с низкой теплопроводностью, такие как титан, будут концентрировать много тепла на режущем инструменте, сокращая срок его службы.
- Совет по выбору: Если предполагается интенсивная обработка или работа при высоких температурах, следует выбирать материалы с высокой термической стабильностью.
Предел прочности на разрыв
Предел прочности на растяжение — это величина напряжения, которое материал может выдержать под действием растяжения до разрушения.
- Влияние: Если для обработки выбран материал с высокой прочностью на растяжение, это, вероятно, затруднит обработку.
- Совет по выбору: Убедитесь, что прочность на растяжение достаточна для данной конструкции, но избегайте указания прочности, превышающей допустимую, если компонент не является несущим.
Влияние стоимости обработки различных материалов
Стоимость детали, изготовленной на станке с ЧПУ, редко ограничивается только стоимостью заготовки из металла. Она складывается из стоимости сырья, времени обработки и износа инструмента.
Стоимость сырья
Это наиболее очевидное соображение.
- Низкая стоимость: АБС-пластик, алюминий 6061, низкоуглеродистая сталь.
- Средняя стоимость: нержавеющая сталь 304, нейлон, поликарбонат.
- Высокая стоимость: титан, PEEK, нержавеющая сталь 316.
Скрытая цена: обрабатываемость
Именно здесь часто нарушаются бюджетные ограничения. Блок титана может стоить в пять раз дороже блока алюминия, но реальная стоимость сводится к времени работы станка. Поскольку титан необходимо резать медленно, чтобы не повредить оборудование, станок может работать 10 часов для детали, на обработку которой в алюминии ушел бы 1 час.
Если вы платите за обработку почасовую ставку, то десятикратное увеличение времени работы с лихвой компенсирует стоимость сырья.
Износ и замена инструмента
Абразивные материалы, такие как нейлон, армированный стекловолокном, или твердые металлы, быстро изнашивают концевые фрезы и сверла. Если токарю приходится останавливать станок для замены затупившегося инструмента в середине работы, вы оплачиваете этот простой и стоимость нового инструмента.
Советы по оптимизации выбора материалов для обработки на станках с ЧПУ
Сократить затраты и сроки выполнения работ можно, следуя этим стратегиям оптимизации на этапе проектирования.
1.Не следует излишне детализировать.
Тот факт, что титан марки Grade 5 является «лучшим» материалом для данной конструкции, не означает, что его обязательно нужно использовать. Инженеры должны использовать материалы, которые действительно являются наиболее экономически эффективными. Если деталь будет лежать на столе и просто служить для удержания датчика, то дорогостоящая версия высококачественной стали не нужна.
2.Стандартизируйте размеры заготовок.
При обработке деталей на станках с ЧПУ операторы получают заготовки в виде прутков, стержней и пластин. Если в проекте указана ширина детали 51 мм, оператору необходимо взять пруток диаметром 60 мм и снять 9 мм материала. Если же ширина детали составляет 49 мм, можно использовать пруток диаметром 50 мм, и при этом материал не будет потрачен впустую. Это сокращает время обработки.
3.Подумайте о постобработке
Если требуется определенная твердость поверхности, и деталь должна легко обрабатываться, необходимо применять дополнительные процессы. Для цементации можно использовать более мягкие стали, то же самое относится и к алюминию, который можно использовать и анодировать для получения более износостойкого и коррозионностойкого поверхностного слоя.
4.Учитывайте толщину ваших стен.
Хотя это относится ко всем другим материалам, в случае с пластмассами это еще более важно. Процессы механической обработки могут создавать неровную поверхность и, что еще опаснее, вызывать трещины в заготовке, если стенка имеет меньшую толщину. Заложите больший запас по толщине стенки и убедитесь, что она достаточна для того, чтобы выдержать воздействие режущего инструмента.
Заключение
Выбор подходящего материала для обработки на станках с ЧПУ редко бывает простым решением. Это компромисс между физическими требованиями к конечному изделию и экономическими реалиями производства. Понимая компромисс между обрабатываемостью, стоимостью и механическими свойствами, можно проектировать детали, которые не только функциональны, но и эффективны в производстве.
Независимо от того, предпочитаете ли вы универсальность алюминия, прочность стали или точность делрина, ключевым моментом является привлечение вашего производственного партнера на ранних этапах проектирования. Их практический опыт может предоставить бесценные сведения, которые сэкономят время и деньги еще до начала производства.
Часто задаваемые вопросы
В: Какой металл дешевле всего подходит для обработки на станках с ЧПУ?
А: Как правило, алюминий 6061 является самым дешевым. Хотя некоторые низкоуглеродистые стали имеют более низкую цену сырья в пересчете на килограмм, алюминий режется гораздо быстрее, что снижает общую себестоимость производства.
В: Вы можете обрабатывать резину на станках с ЧПУ?
А: Очень сложно. Резина слишком мягкая и гибкая. Вместо того чтобы разрезаться, она, как правило, отталкивается от режущего инструмента. Для резиноподобных материалов лучше использовать механическую обработку в форме и отливку детали. Также лучше использовать более твердые эластомеры, такие как полиуретан (ПУ), с последующим замораживанием.
В: Почему обработка титана так дорога?
А: Потому что у него низкая теплопроводность (он сильно нагревается), а также он химически реагирует с режущими инструментами (вызывая их истирание). Кроме того, его трудно резать, поэтому инструменты изнашиваются быстрее. Из-за этого токарям приходится работать медленно и чаще менять режущие инструменты.
В: Какой пластик лучше всего подходит для обеспечения высокой точности изготовления?
А: Для жестких допусков лучшим пластиком является ацетал (делрин/ПОМ). В отличие от нейлона, он более жесткий, обладает стабильными размерами и устойчив к влаге.
