Выбор материала для токарной обработки с ЧПУ: выберите правильные материалы для вашего проекта по обработке с ЧПУ

Каждый проект токарной обработки с ЧПУ требует правильного выбора материала, что, возможно, является одним из самых важных решений. Свойства конечного продукта, включая стоимость, производительность, долговечность и точность, зависят от этого решения. Понятно, что существует множество альтернатив, из которых можно выбирать, начиная с металлов, таких как алюминий и нержавеющая сталь, и заканчивая инженерными пластиками, такими как PEEK и Delrin. Этот блог будет выступать в качестве подробного руководства, которое поможет вам выбрать подходящий материал для обработки с ЧПУ. Мы установим факторы, которые необходимо проанализировать, например, механические свойства, обрабатываемость, требования к применению и стоимость, чтобы можно было достичь целевых целей проекта. Цель этой статьи — снабдить начинающих и более опытных станочников, впервые вступающих в сферу токарной обработки с ЧПУ, практическими советами, которые облегчат процесс выбора материала.

Какие материалы чаще всего используются при токарной обработке с ЧПУ?

При токарной обработке на станках с ЧПУ инженеры обычно используют следующие материалы:

• Алюминий: легко обрабатывается, обладает высокой устойчивостью к коррозии и имеет небольшой вес, что делает его подходящим материалом для использования в аэрокосмической, автомобильной и потребительской отраслях.
• Сталь: прочная и долговечная, выпускается в различных марках, часто используется для изготовления промышленных компонентов и машин.
• Нержавеющая сталь: прочная и устойчивая к коррозии, широко используется в медицинской, пищевой и судостроительной промышленности.
• Латунь: хорошо поддается механической обработке и имеет низкий коэффициент трения, что делает ее отличным выбором для изготовления прецизионных деталей; она широко используется в электрических компонентах и ​​арматуре.
• Пластики, например, ПОМ, нейлон: используются в приложениях, требующих легкости, химической стойкости и электроизоляции.

Решение об использовании того или иного материала определяется требованиями, предъявляемыми к проекту, такими как прочность, вес, тепловые свойства и стоимость.

Металлические материалы для обработки на станках с ЧПУ: типы и области применения

Технология ЧПУ может быть применена к большинству металлических материалов благодаря их специфическим свойствам, которые могут использоваться в определенных приложениях. Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых металлических материалов и их преимущества при использовании обработки ЧПУ.

1. Алюминий: этот металл является одним из наиболее широко используемых благодаря своей способности противостоять коррозии, высокой обрабатываемости, низкой плотности и простоте формовки, что является полезными свойствами для автомобильной, аэрокосмической промышленности и производства бытовой электроники. Алюминий 6061 — это широко используемый специализированный сорт, имеющий предел прочности на разрыв около 45000 фунтов на квадратный дюйм, что облегчает его использование в конструкционных деталях и корпусах, подвергаемых механической обработке.
2. Нержавеющая сталь: Нержавеющая сталь необходима из-за своей прочности и долговечности, а также из-за ее некорродируемости и относительно высокой температуры. требуемых Гигиенические и коррозионно-стойкие характеристики часто требуются в медицинских приборах, оборудовании для переработки пищевых продуктов и даже в морских применениях, где используются нержавеющая сталь марок 304 и 316.
3. Сталь (мягкая и инструментальная сталь): используется в строительстве, мягкой стали и других промышленных секторах, тяжелом машиностроении и промышленных инструментах, таких как сталь, пользуется большим спросом. Экономически эффективная. Некоторые распространенные примеры включают мягкую сталь марки 1018, используемую в механических конструкциях, или инструментальные стали A2 и D2 за их исключительную твердость и износостойкость, а также идеально подходят для оснащения режущих инструментов и форм.
4. Титан: Аэрокосмическая промышленность, производство высокопроизводительных транспортных средств и даже медицина используют титан, поскольку он имеет самое высокое соотношение прочности и веса. Титановый класс 5 или (Ti-6Al-4V) — это широко используемый сплав, поскольку он обладает прочностью на разрыв более 130,000 XNUMX фунтов на кв. дюйм. Этот особый сплав популярен в сое из-за его широкого применения в биосовместимых продуктах.
5. Медь и латунь: Медь используется во многих компонентах, таких как электрические схемы и теплообменники, благодаря своей превосходной тепло- и электропроводности. Другим широко используемым металлом является латунь из-за ее низкого трения и коррозионной стойкости, что делает ее полезной для клапанов, декоративной арматуры и шестеренок.
6. Inconel и суперсплавы: сильные стороны в определенных областях — горнодобывающая промышленность, аэрокосмическая промышленность и энергетика; эти приложения позволяют им выдерживать экстремальные условия, такие как нагрев и коррозия. Конкретные модели используются в зависимости от среды. Incoel 718 хорошо известен своей способностью выдерживать высокие температуры в 1,300°F (700°C) при высокой структурной стойкости.

На решение о выборе конкретных металлов влияют многочисленные факторы, такие как механические характеристики системы, тепловые свойства и даже вес. Поскольку технологии обработки с ЧПУ становятся все более продвинутыми, а современные инженерные задачи становятся все более сложными, возможна более точная и эффективная обработка металлов.

Пластиковые материалы для токарной обработки с ЧПУ: преимущества и ограничения

Использование пластиковых материалов для токарной обработки с ЧПУ имеет свои преимущества, но эти соображения определяют, подходит ли точение пластика для каждого конкретного случая применения.

Преимущества пластиковых материалов для токарной обработки с ЧПУ

Прежде всего, основным преимуществом использования пластиковых материалов является их низкая плотность по сравнению с металлами, что имеет важное значение для приложений, в которых важна экономия веса. Например, пластики PEEK, PVC и Delrin имеют низкий коэффициент трения диэлектрика, что способствует хорошей обрабатываемости и производительности в сборках подвижных частей. Кроме того, пластики невосприимчивы к коррозии и большинству химических повреждений, что создает условия, в которых могут пострадать металлы. Специальные изоляционные пластики могут работать даже в высокопроизводительных средах, включая медицинскую или аэрокосмическую промышленность. Некоторые конструкционные пластики, такие как PTFE и PEEK, имеют высокую термостойкость; PEEK сохраняет эффективность до 250 градусов по Цельсию (482 градуса по Фаренгейту).

Более того, пластиковые материалы рассматриваются как экономичные альтернативы в прототипировании и мелкосерийном производстве из-за их более низкой стоимости материала, улучшенной обрабатываемости и более коротких циклов обработки по сравнению с металлами. Кроме того, их непроводящие свойства делают их полезными в электронной и электротехнической промышленности. Кроме того, развитие технологий ЧПУ в последние годы увеличило количество материалов, включая пластики, которые могут использоваться в этих процессах, а также повысило допуски и достижимую точность, что позволяет нацеливаться на сложные формы со строгими требованиями.

Недостатки пластиковых материалов для токарной обработки с ЧПУ

Даже при этих положительных качествах пластиковые материалы имеют определенные основные недостатки. Их механическая прочность и жесткость ниже, чем у металлов в целом, что делает их непригодными для любой несущей детали в более требовательных приложениях. Пластики также более восприимчивы к изменениям температуры, и большинство материалов демонстрируют плавление или некоторую деформацию при более низких температурах, чем металлы. Например, в то время как PEEK предпочитают в высокотемпературных приложениях, другие пластики, такие как полипропилен или нейлон, имеют тенденцию становиться мягкими при температурах выше 100 градусов по Цельсию.

Кроме того, размеры могут также изменяться при обработке на станках с ЧПУ из-за свойств теплового расширения пластика, которые, как правило, являются проблематичными. Кроме того, некоторые пластики могут изнашиваться слишком быстро из-за неправильного обращения с оборудованием, что влияет на их срок службы в местах с высоким трением или ударами. Кроме того, некоторые пластики особенно чувствительны к внешним факторам, особенно в отношении ультрафиолетового света, что еще больше подрывает их надежность для использования на открытом воздухе с течением времени.

Резюме пригодности материалов

Процессы изготовления применяются аналогично к пластиковым материалам низкой и высокой плотности. Поэтому, что бы ни ожидалось сделать с обработанными компонентами, необходимо тщательно продумать, учитывая механические, термические, химические и экологические факторы и соответствующим образом классифицируя пластики. С другой стороны, инновационные инженеры не будут рассматривать проблемы, создаваемые пластиками, как препятствия, вместо этого они будут видеть уникальные свойства этих материалов и объединять их с ограничениями для решения проблем, возникающих в современном производстве.

Экзотические материалы: когда и почему их следует использовать в токарной обработке с ЧПУ

Токарная обработка с ЧПУ использует экзотические материалы для более строгих эксплуатационных или эксплуатационных требований, чем стандартные материалы. Титан, инконель и углеродные композиты входят в число экзотических материалов, выбранных за их уникальные качества, такие как отношение прочности к весу, коррозионная и термическая стойкость. Они широко используются при изготовлении деталей в аэрокосмической, медицинской и энергетической промышленности, где требуются экстремальные условия или очень высокая точность обработки. Тем не менее, обработка экзотических материалов, как правило, более сложна из-за их твердости или других уникальных характеристик, поэтому для достижения оптимальных результатов часто необходимы специализированные инструменты, методы и планирование.

Как выбрать правильный материал для токарной обработки на станке с ЧПУ?

Факторы, которые следует учитывать при выборе материала для обработки на станках с ЧПУ

Механические свойства

В любой токарной работе с ЧПУ оценка механических свойств, таких как ударная вязкость, вязкость и пластичность выбранного материала, имеет важное значение. Вот почему алюминиевые сплавы предпочтительны для деталей сложной формы — они легкие и устойчивые к коррозии. С другой стороны, титан имеет лучшее соотношение прочности к весу и может выдерживать суровые условия.

Термостойкость

Это свойство имеет решающее значение для деталей, которые режутся на высоких скоростях или которые из-за метода обработки могут подвергаться воздействию высоких температур. Некоторые материалы, такие как нержавеющая сталь и вольфрам, не меняют форму, что помогает сохранить функциональные размеры и точность детали во время и после приложения тепловой нагрузки. Например, нержавеющая сталь может выдерживать температуру более 1400 градусов по Цельсию, что делает ее очень востребованной в отраслях, где требуется термостойкость.

Стоимость и доступность

В зависимости от конкретных требований к материалу стоимость может существенно различаться. Для инженерных прототипов можно использовать недорогие производственные материалы, такие как мягкая сталь или АБС-пластик. Тем не менее, они также могут быть дорогими в долгосрочной перспективе по сравнению с углеродным волокном или высококачественными сплавами. Кроме того, то, насколько легко можно получить конкретный материал на месте, влияет на сроки и масштаб проекта.

Machinability

Одной из характеристик конструкции, которой соответствует обрабатываемость, является то, насколько легко материал можно резать, сверлить или формовать с минимальной потерей геометрии инструмента. Например, значения латуни и алюминия очень высоки, поэтому производственные циклы сокращаются, а инструменты повреждаются меньше. С другой стороны, экзотические типы инконеля или закаленной стали, возможно, придется обрабатывать передовыми режущими инструментами и на низких скоростях.

Устойчивость к коррозии и износу

Для компонентов, работающих в очень агрессивных средах, коррозионная стойкость становится решающим параметром при выборе из ряда материалов, подходящих для обработки на станках с ЧПУ. Металлы, полимерные композиты, нержавеющая сталь, титан и некоторые пластики обеспечивают превосходную коррозионную и химическую стойкость. Аналогично, инструментальная сталь и керамика больше подходят для применений, где повторяющееся механическое трение является проблемой.

Требования Для Заявки 

Выбор материала определяется надлежащим образом, поскольку конечное использование детали, изготовленной с помощью ЧПУ, уже определено. Для аэрокосмических компонентов требуются легкие, высокопрочные материалы, такие как титан и алюминий. С другой стороны, пластиковая композитная сталь может быть более рентабельной для автомобильной промышленности. Медицинские приборы часто должны изготавливаться из прочных, легких, но биосовместимых материалов, таких как ПЭЭК, титан и другие сплиты, чтобы соответствовать строгим правилам безопасности и нормативным требованиям.

Воздействие на окружающую среду

Цель устойчивости при выборе материалов приобретает все большее значение. Некоторые материалы, такие как алюминий или так называемые «зеленые» полимеры, перерабатываются, что оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду. Иногда ожидается, что будут выбраны определенные материалы, которые более экологичны в своем производстве и утилизации на корпоративном и общественном уровне.

Детальное изучение этих факторов позволяет выбрать материалы, которые будут соответствовать целям производительности, бюджета и эксплуатации и которые будут надежными и полезными в рассматриваемой конструкции в течение длительного времени. Сегодня, благодаря прогрессу в области материаловедения и станков с ЧПУ, производителям доступен широкий спектр материалов для узкоспециализированных и разнообразных применений.

Баланс свойств материала с требованиями к обработке

При выборе материалов для определенного процесса обработки или производства я учитываю механические и функциональные аспекты, а также возможности процесса обработки. Такие факторы, как твердость, пластичность, теплопроводность и обрабатываемость материала, дают представление о его поведении во время обработки и в конечном применении. С помощью анализа технологичности я соответствующим образом балансирую производительность и экономическую эффективность.

Учет затрат при выборе материала для токарной обработки с ЧПУ

Согласно показателям, выбранным для токарных операций с ЧПУ, затраты являются одним из преобладающих факторов в отношении бюджетов проектов и целевых показателей качества и производительности. Многие фундаментальные переменные, такие как доступность, сложность обработки и физические свойства материала, определяют рыночную цену сырья. Например, обычные металлы, такие как алюминий или мягкая сталь, как правило, дешевле и, как следствие, больше подходят для прототипов и серийного производства. Однако усовершенствованные сплавы, такие как титан или нержавеющая сталь, могут быть намного дороже из-за высокой прочности и коррозионной стойкости, но также очень сложны в обработке.

Стоимость материалов должна, с одной стороны, включать сами материалы, а с другой — контролируемые накладные расходы, такие как отходы. Как и при высокоточной механической токарной обработке, будет производиться некоторый лом материала, особенно более проблемных металлов или сложных форм. С другой стороны, материалы с более высокой степенью обрабатываемости, такие как алюминий 6061 и легкообрабатываемая латунь 80-20, как правило, сокращают как время обработки, так и износ инструмента, что также снижает эти расходы.

Кроме того, изучение цепочек поставок материалов в регионе может помочь снизить затраты. Например, расходы могут быть ниже, а сроки выполнения короче, если материалы находятся поблизости. Однако другие отрасли, такие как аэрокосмическая или медицинская, обычно требуют материалов, таких как сплавы на основе никеля, которые слишком дороги из-за их низкой прочности и производительности.

Информация из последних исследований показывает, что затраты можно снизить, используя алюминий 7075-T6, который стоит около 3.50 долл. за фунт, вместо титановых марок, таких как 6A1-4V, стоимостью 20 долл. за фунт. Все эти параметры должны быть скорректированы с учетом эксплуатационных потребностей и конечного результата, гарантируя, что процесс выбора материала будет экономически эффективным без ущерба для целей и выполнения проекта.

Каковы плюсы и минусы различных материалов для токарной обработки с ЧПУ?

Сравнение металла, пластика и композитных материалов

Токарная обработка с ЧПУ: общие принципы и действия

Металлы, которые мы проанализировали выше, имеют явное преимущество: их отношение прочности к весу обеспечивает более надежную работу в сложных условиях, а станок с ЧПУ с металлическими сплавами обычно требует энергоемких и, следовательно, дорогостоящих процессов, которые трудно оправдать с экономической точки зрения. Несомненно, эти проблемы самым негативным образом сказываются на производительности и экономической устойчивости.

пластики

Пластики могут быть очень полезны для непроводящих или коррозионно-стойких компонентов, которые требуют от фирм использования легких материалов. Пластики класса $CNC$, такие как ацеталь и PEEK, обладают превосходной обрабатываемостью и подходящими характеристиками соотношения веса и прочности. Например, Delrin имеет предел прочности на разрыв почти 10000 фунтов на квадратный дюйм, что делает его пригодным для шестерен и втулок. PEEK имеет предел прочности на разрыв 14000 фунтов на квадратный дюйм и может выдерживать температуры до 500 градусов по Фаренгейту. Это свойство делает его идеальным для аэрокосмических и медицинских устройств. Обычно стоимость материалов и обработки пластика ниже, чем у металлов, и является более выгодной. Однако недостатки прочности и жесткости для определенных структурных компонентов могут стать помехой.

композиты

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), и композиты из стекловолокна являются композитными материалами, предпочтительными для высокопроизводительных приложений из-за их больших показателей прочности к весу. CFRP имеет прочность на разрыв более 150000 фунтов на квадратный дюйм, будучи в 5 раз легче стали. Эти материалы можно без труда использовать в авиации, автоспорте и возобновляемых источниках энергии. Несмотря на преимущества композитов, их производство дорогое и для разработки инструментов для них требуются специалисты, что может повысить затраты на обработку. Кроме того, их способность работать в разных направлениях сопряжена с множеством проблем для проектирования и обработки.

Проведение тщательного анализа свойств материала, таких как прочность на разрыв, плотность, стоимость и обрабатываемость, позволяет инженерам принять решение о выборе токарной обработки с ЧПУ для конкретного проекта.

Проблемы, связанные с конкретными материалами, в процессе обработки на станках с ЧПУ

1. Алюминиевые сплавы

Наиболее предпочтительными материалами для обработки на станках с ЧПУ являются алюминиевые сплавы. Их предпочтение обусловлено их низкой плотностью, высокой стойкостью к окислению и превосходными свойствами обработки. Температура плавления алюминиевых сплавов довольно низкая, что представляет собой проблему при обработке, поскольку тепло, создаваемое в процессе резки, может расплавить края режущего инструмента, что приведет к прилипанию материала к инструменту вместо того, чтобы быть разрезаемым или свариваемым стружкой. Это может создать еще больше проблем в виде повышенного износа инструмента и проблем с качеством поверхности. Исследования показывают, что эту проблему можно решить в некоторой степени путем оптимизации скоростей резки и использования режущих инструментов с твердосплавным покрытием. Более того, поскольку алюминий обладает высокой теплопроводностью, эффективное охлаждение и производительные процессы обработки являются важными характеристиками надежной и высокой производительности при обработке сплавов на основе алюминия.

2. Нержавеющая сталь

Из-за своих удивительных механических свойств большинство свойств нержавеющей стали подвергаются невзгодам в процессе обработки на станках с ЧПУ. К таким свойствам относится высокая обрабатываемость, однако замечательные свойства нержавеющей стали делают ее нелогичной, поскольку требуются большие силы резания, а производительность инструментов обычно недостаточна. Кроме того, существует явление выносливости, которым обладает нержавеющая сталь, что означает, что по мере прогрессирования процесса обработки резанием нержавеющая сталь становится более прочной на уровне поверхности. Более того, исследования показывают, что недостаточно оптимизированные скорости подачи в сочетании с правильным применением смазочно-охлаждающих жидкостей обеспечивают оператору удобство и увеличивают срок службы инструмента, сохраняя при этом надлежащие допуски.

3. Титановые сплавы

Благодаря превосходной прочности и термической стабильности титан широко используется в аэрокосмической и медицинской промышленности. Однако его механическая и теплопроводность, а также его тенденция к отскоку после резки значительно затрудняют обработку. Перегрев инструмента вызван плохой теплопроводностью титана, что приводит к необходимости использования более мощных систем охлаждения и более медленных скоростей резки. Исследования показывают, что эти проблемы можно решить, применяя усовершенствованные покрытия TiAlN при использовании острых инструментов с малыми углами резания.

4. Композиты

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой композиты, которые широко используются в космической и автомобильной промышленности из-за их превосходного соотношения прочности к весу. Эти материалы гораздо более абразивны, чем другие, из-за встроенных волокон и, следовательно, делают обработку на станках с ЧПУ сложной задачей с высоким потенциалом преждевременного износа. Более того, композитные структуры, подлежащие обработке, имеют различные слои, что затрудняет достижение более тонкой отделки. Применение инструмента PCD (поликристаллического алмаза) с высокоскоростной обработкой доказало свою способность минимизировать износ и повысить точность резки, улучшая общий процесс.

5. Твердые металлы 

Инконель и закаленные стали выдерживают некоторые из самых сложных условий, например, в лопатках турбин или автомобильных деталях, где универсальность и экстремальные температуры являются катализаторами. Эти металлы хорошо известны тем, что являются одними из самых сложных для обработки из-за их способности выдерживать деформацию. В результате обработка на станках с ЧПУ этих типов металлов, как правило, оказывает значительное механическое напряжение на инструмент и машину. Исследования указывают на полезность керамических или режущих инструментов из кубического нитрида бора (CBN) и эффективное реформирование параметров резки.

Инженеры постоянно оптимизируют процессы обработки твердых металлов и внедряют достижения материаловедения для решения проблемы повышения эффективности и качества конечной продукции. Эти «легкие» решения таких сложных проблем могут помочь в точном мониторинге параметров обработки, стратегии траектории инструмента и даже необходимых методов охлаждения.

Выбор материалов для оптимальной производительности и долговечности

Для оптимальной производительности и срока службы, разумный выбор материалов требует понимания рабочей среды применения, условий нагрузки и ожидаемой продолжительности службы. Некоторые из наиболее очевидных соображений включают механические свойства материала, такие как прочность, пластичность, износостойкость и устойчивость к коррозии, нагреву и усталости. Экономически и экологически безопасные материалы также должны быть поставлены в такое внимание, чтобы стоимость была сбалансирована с производительностью. Чтобы сделать выбор для реализации проекта максимально точным и компетентным, всегда следует консультироваться с техническими паспортами материалов, стандартными документами и рекомендациями специалистов.

Как выбор материала влияет на процессы токарной обработки с ЧПУ?

Влияние выбора материала на режущие инструменты и детали машин

Выбор материала оказывает существенное влияние на износ инструмента, эффективность процесса обработки и срок службы деталей станка при токарных операциях с ЧПУ. Повышение прочности обрабатываемых материалов, например, за счет использования нержавеющей стали или титана, увеличивает скорость износа режущего инструмента, что обусловлено более высоким сопротивлением инструмента резанию. С другой стороны, обрабатываемые материалы, такие как алюминий, которые мягче режущих инструментов, как правило, изнашиваются меньше, но могут нуждаться в дополнительных покрытиях на инструментах для обеспечения адгезии. Некоторые материалы могут быть очень абразивными и вызывать износ обрабатываемых деталей и инструментов, который, если его не контролировать, может повредить станок. Необходимо убедиться, что материалы, выбранные для детали, могут быть обработаны имеющимся станком, и что режущие инструменты могут выдерживать материалы заготовки. Эти меры помогают достичь желаемой производительности при разумной стоимости.

Настройка параметров обработки на станках с ЧПУ для различных материалов

При работе с различными материалами важно изменять такие параметры, как глубина резания, скорость подачи, скорость резания и применение охлаждающей жидкости, чтобы обеспечить точность резки при контроле износа инструмента. Например, более жесткие материалы, такие как титан или нержавеющая сталь, следует резать на более низких скоростях, чтобы предотвратить перегрев и продлить срок службы инструмента. Для титановых сплавов стандартными являются скорости резания 30-50 метров в минуту (м/мин); нержавеющая сталь имеет более высокий допуск 60-120 м/мин в зависимости от марки и инструмента.

С другой стороны, более мягкие материалы, такие как алюминий, можно резать на гораздо более высоких скоростях, иногда до 600-1,000 м/мин, если использовать твердосплавные инструменты. Как и в случае со скоростью резки, скорость подачи также должна контролироваться, при этом более жесткие материалы нуждаются в более медленных скоростях подачи для сохранения своих размеров и качества поверхности. Для нержавеющей стали стандартными являются скорости подачи от 0.08 до 0.3 миллиметра на оборот (мм/об), в то время как алюминий можно подавать со скоростью 0.1-0.5 мм/об.

Другой важной переменной является глубина реза; более жесткие материалы требуют меньшей глубины реза, чтобы предотвратить повреждение режущего инструмента. Например, черновые проходы по стали могут использовать глубину 2-5 мм, в то время как большие глубины легко принимаются алюминием и пластиком.

При обработке охлаждающая жидкость выполняет важную функцию терморегулирования. Для более сложных или жаропрочных сплавов в ЧПУ используются системы подачи охлаждающей жидкости или системы подачи охлаждающей жидкости под высоким давлением для рассеивания тепла и увеличения срока службы инструмента. Для цветных металлов, таких как алюминий, охлаждающая жидкость в виде тумана или воздуха может уменьшить адгезию стружки и сохранить покрытие инструмента.

Использование соответствующих материалов и настроек позволяет добиться высокой точности обработки, обеспечивая при этом более производительные циклы, снижая затраты на замену инструмента и общую эффективность обработки на станках с ЧПУ.

Методы отделки, специфичные для конкретного материала, при токарной обработке с ЧПУ

Общее качество отделки при токарной обработке с ЧПУ во многом зависит от используемого материала и соответствующей техники отделки. Это связано с тем, что разные материалы имеют различные характеристики, определяющие тип резки, инструменты и используемые процедуры отделки. Ниже приведены некоторые техники отделки, специфичные для конкретного материала:

Методы отделки стали

Благодаря прочности и твердости стали, ее экономичная обработка часто использует прочные твердосплавные или керамические режущие инструменты. При отделке легированных сталей могут использоваться различные методы, включая мелкозернистые абразивы и полировальные составы для сглаживания поверхности. Кроме того, хонингование или шлифование могут использоваться в первую очередь для применений, требующих жесткого допуска. Некоторые исследования показывают, что дребезжание и другие дефекты поверхности менее распространены при использовании низких скоростей резания и высоких скоростей подачи. По сути, достигается превосходная точность и размерная точность.

Методы обработки алюминия

Будучи относительно более мягким металлом, алюминий иногда подвержен таким проблемам, как царапины на поверхности и образование стружки во время обработки. Выбор правильно спроектированных режущих инструментов с полированными лезвиями для уменьшения образования наростов на кромках имеет важное значение. Инструменты с алмазоподобным углеродным покрытием более скользкие, что улучшает качество обработки поверхности на кромках. Микрошлифование или виброобработка применяются для финишной обработки, обеспечивая низкие значения Ra до 0.2 мкм, что подходит для аэрокосмических и автомобильных компонентов.

Методы обработки титана

Из-за низкой теплопроводности титана относительно его высокого отношения прочности к весу, его трудно писать и резать. Обычно его рекомендуют для лучшей площади поверхности для многопроходных операций, хотя легкие разрезы и низкие скорости во время резки также весьма эффективны. Покрытые карбиды являются хорошими инструментами, поскольку они могут выдерживать тепло, выделяемое при резке. В качестве постфинишного этапа дробеструйная обработка или электрополировка дополнительно улучшают отделку, устраняя более мелкие нежелательные поверхности и увеличивая устойчивость к окислению.

Методы отделки пластмасс

Так как это неметаллические материалы, необходимо применять особые меры по скорости резания и остроте инструмента, чтобы избежать плавления и деформации заготовки. Предпочтительным методом отделки оптических пластиков является одноточечная алмазная обработка с шероховатостью поверхности Ra ниже 0.1 мкм. Полировка — с использованием некоторых специальных составов — еще один возможный способ улучшить чистоту и гладкость при использовании станков с ЧПУ для резьбы по пластику в электронике и потребительских товарах.

Покрытие для управления инструментом

Достижения в области высокопроизводительных покрытий инструментов CVD TiAlN продемонстрировали большой потенциал, улучшив финишную обработку инструментов из целого ряда материалов. Более того, эффективное управление применением охлаждающей жидкости во время финишных процессов может улучшить коэффициенты тепловой деформации до 30%, что приведет к повышению качества финишной обработки поверхности и снижению износа инструмента.

Это может быть достигнуто путем применения методов отделки, специфичных для конкретного материала, и передовых вспомогательных технологий, которые позволяют производителям производить такие детали без ограничений по количеству и с меньшими затратами. Правильная отделка позволяет не только корректировать требования к поверхности, но и значительно улучшать функциональные качества обработанных компонентов.

Каковы последние тенденции в области материалов для токарной обработки с ЧПУ?

Новые материалы в обработке на станках с ЧПУ: свойства и применение

Титановые сплавы

• Характеристики: Титановые сплавы широко применяются благодаря своим коррозионно-стойким свойствам, высокой температуре плавления и высокому отношению прочности к весу, что делает их идеальными для использования в экстремальных условиях окружающей среды.
• Применение: Благодаря превосходной биосовместимости титановые сплавы нашли широкое применение в хирургических инструментах, ортопедических имплантатах, а также в компонентах аэрокосмической техники и автомобильных деталях.

Ключевые данные:

• Прочность на разрыв: 1,400 МПа
• Плотность: 4.5 г / см³
• Углепластик (пластик, армированный углеродным волокном)
• Особенности: Углепластик имеет легкую конструкцию, высокую прочность на разрыв, устойчивость к усталости и химическому разрушению, а также высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с другими материалами.
• Применение: Основными областями применения углепластика являются спортивное оборудование и конструктивные элементы в автомобилях и самолетах с высокими эксплуатационными характеристиками.

Ключевые данные:

• Соотношение предела прочности к весу: в 10 раз выше
• Плотность: ~1.6 г/см³
• Суперсплавы на основе никеля
• Характеристики: Может выдерживать высокие температуры без царапин и скрипов. Другие характеристики включают устойчивость к окислению и отличную деформацию под нагрузкой, что отлично подходит для экстремальных температурных сред.
• Применение: Применяется в лопатках турбин, двигателей и реактивных самолетов, а также в устройствах химической технологии.

Ключевые данные:

• Диапазон плавления: 1350°C - 1400°C
• Плотность: 8.4 – 9.0 г/см³
• ПЭЭК, ПТФЭ и другие конструкционные пластики обладают высокой механической прочностью, термической стабильностью и выдающимися факторами роста у пожилых людей, что делает конструкционные пластики привлекательными для использования.
• Другие области применения включают электрические детали, медицинские приборы и легкие машины. В аэрокосмической и полупроводниковой промышленности PEEK особенно ценится.

Ключевые данные: 

• Рабочая температура (PEEK): 260 градусов по Цельсию
• Плотность (ПТФЭ): 2.2 г/см³

Инструментальные стали 

• Свойства: Эти стали обладают исключительной прочностью, износостойкостью и высокой прочностью даже при деформации. В тяжелых условиях эти стали сохраняют свои эксплуатационные характеристики, что делает их идеальными для обработки с высокими напряжениями.
• Применение: Идеально подходит для режущих инструментов, штампов и пресс-форм для станков с ЧПУ.

Ключевые данные: 

• Твердость (HRC): 68 или более
• Прочность на разрыв: 2000 МПа
• Алюминиевые сплавы
• Свойства: Алюминиевые сплавы довольно легкие, при этом обладают высокой теплопроводностью и устойчивостью к коррозии. Они также недороги и легко обрабатываются, что делает их очень полезными для работы с ЧПУ.
• Области применения: Распространены в аэрокосмической, автомобильной и потребительской электронике.

Ключевые данные: 

• Плотность: 2,7 г / см³
• Прочность на растяжение (сплав 6061): 310 МПа

Эти новые материалы позволяют тканям удовлетворять определенным эксплуатационным стандартам, одновременно пытаясь идти в ногу с технологическим прогрессом. Каждый материал предлагает уникальные преимущества, адаптированные к конкретным приложениям. Конструкции, включающие проводник с ЧПУ, для исключительной простоты и надежности могут использовать эти специальные материалы.

Достижения в области материаловедения, влияющие на токарную обработку с ЧПУ

Улучшение материаловедения существенно повлияло на токарные операции с ЧПУ, позволяя производить точные, долговечные и высокопроизводительные компоненты. В современную эпоху все больше внимания уделяется новым материалам и соответствующим им процессам обработки для удовлетворения более строгих промышленных потребностей.

Например, современные суперсплавы Inconel и Hastelloy являются технологическим шагом вперед. Эти материалы незаменимы для аэрокосмической и энергетической промышленности из-за их невероятной термостойкости и коррозионной стойкости. Возьмем, к примеру, современные лопатки аэрокосмических турбин. Довольно стандартно использовать сплав Inconel 718. Он не только выдерживает экстремальные температуры, но и имеет предел прочности на разрыв более 1000 МПа при 700 °C. Инструментальные материалы, такие как поликристаллический алмаз (PCD) и кубический нитрид бора (CBN), также помогли модернизировать обработку прочных материалов.

Еще один прорыв связан с композитными материалами, такими как полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP). Хотя CFRP имеют исключительное соотношение прочности к весу, они создают проблемы при токарной обработке на станках с ЧПУ, поскольку они очень абразивны. Развитие режущих инструментов, включая инструменты с алмазным покрытием и оптимизированные скорости подачи, привело к существенному повышению эффективности обработки и качества поверхности этих композитов. CFRP теперь широко используются для автомобильных компонентов благодаря их легкости и улучшенной топливной экономичности.

Кроме того, традиционные металлы получили новые поверхностные обработки и покрытия, которые расширяют их применение. Например, титановые сплавы, которые когда-то использовались в самолетах, а теперь в сочетании с новыми структурированными нанопокрытиями, демонстрируют более высокую износостойкость и лучше поддаются обработке. Одним из примеров является титан марки 5 (Ti-6Al-4V), который часто используется для медицинских имплантатов и компонентов космических аппаратов. Эти металлические сплавы имеют плотность 4.43 г/см³ и прочность на разрыв до 950 МПа; таким образом, алюминиевые детали, которые одновременно легкие и прочные, можно легко обрабатывать.

Также были разработаны композиты с металлической матрицей (MMC), объединяющие металлические материалы с керамическим армированием для получения прочных и термически стабильных композитов. Например, алюминиевые MMC, армированные карбидом кремния, обеспечивают прочность на разрыв 300-600 МПа и улучшенные тепловые характеристики, что делает их идеальными для деталей двигателей и систем, которые теряют тепло.

Эти новые материалы, в сочетании с новыми методами обработки и инструментов с ЧПУ, отличаются от того, что было возможно ранее с токарных станков с ЧПУ. Сложные материалы теперь можно обрабатывать с большей точностью, большей производительностью и меньшим износом инструмента, обеспечивая более качественные компоненты для передовых приложений.

Как оптимизировать использование материалов в проектах токарной обработки с ЧПУ?

Стратегии сокращения отходов материала при обработке на станках с ЧПУ

Оптимизация конструкции детали

Сосредоточьтесь на проектировании более эффективных деталей с точки зрения геометрии и сложности функций. Применяйте методы проектирования для производства (DFM), чтобы использовать наименьшее количество материала, не ставя под угрозу цель дизайна.

Эффективное планирование траектории инструмента

Используйте современные технологии CAD/CAM-конструирования для создания траекторий инструментов, которые наилучшим образом используют доступные материалы и производят наименьшее количество отходов. Они могут включать методы вложенности и адаптивные стратегии резки, которые могут радикально сократить отходы.

Выбор правильного размера материала

Используйте сырье, размеры которого близки к размерам готовой детали, чтобы уменьшить отходы материала в процессе обработки.

Переработка и повторное использование отходов

Отходы и остатки материалов следует собирать и перерабатывать для будущих проектов, когда это целесообразно. Это минимизирует отходы и снижает общие материальные затраты.

Использование методов точной обработки

Правильно настройте все машины и инструменты для выполнения правильной резки, так как это увеличит шансы на получение качественной резки и сократит отходы материала.

Применение этих методов улучшает управление затратами производителей и помогает добиться устойчивого развития, поддерживая высокие стандарты производства.

Соображения по переработке и устойчивому развитию при выборе материалов

Вместо этого выбирайте материалы, которые подлежат вторичной переработке и возобновляются, а также те, которые были ранее обработаны. Алюминий и сталь являются популярными переформованными материалами и хорошо подходят для устойчивого производства. По возможности следует использовать биоразлагаемые материалы, в частности, определенные полимеры и натуральные волокна. Просмотрите и изучите оценки жизненного цикла производства материалов, чтобы понять воздействие на окружающую среду и работать с поставщиками, приверженными устойчивым практикам, таким как сертификация материалов и этичное снабжение. Это сводит к минимуму экологические проблемы, удовлетворяя при этом потребности производства.

Экономически эффективный выбор материалов для различных объемов производства

Для завершения проектов с небольшими объемами производства требуются экономичные материалы для обработки на станках с ЧПУ, которые изначально не требуют больших инвестиций. К ним относятся, например, готовые или стандартные материалы, которые создают меньше отходов при обработке и стоят дешевле.

Для средних объемов производства рассмотрите материалы со средним соотношением цены и производительности, такие как конструкционные пластики или сплавы с достаточной прочностью, но не слишком высокой стоимостью.

Большие объемы производства в значительной степени выигрывают от экономии масштаба, поскольку они помогают компенсировать расходы, понесенные при использовании высокопроизводительных или специально разработанных материалов. Большое количество материалов, например, передовых композитов или специализированных металлов, можно закупить по разумной цене, что снижает стоимость каждой единицы и обеспечивает удовлетворение потребностей в производстве и качестве.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В: Какие материалы наиболее распространены при обработке на станках с ЧПУ?

A: Наиболее распространенные материалы для ЧПУ включают как металлические, так и пластиковые разновидности. Алюминий, нержавеющая сталь, углеродистая сталь, латунь и титан — вот некоторые из металлов, которые обычно выбирают для этого процесса. ABS, поликарбонат, нейлон и ацеталь — вот некоторые предпочтительные пластиковые материалы для обработки на станках с ЧПУ. Эти вещества обладают различными свойствами, что делает их подходящими для различных проектов обработки на станках с ЧПУ.

В: Как выбрать подходящий материал для обработки на станке с ЧПУ для моего проекта?

A: Чтобы выбрать правильные материалы для станка с ЧПУ, следует учитывать такие факторы, как предполагаемое использование детали, требуемая прочность, ограничения по весу, коррозионная стойкость и бюджет. Поймите обрабатываемость материала, поскольку его легче обрабатывать, чем другие типы материалов. Обратитесь за профессиональными мнениями к поставщикам услуг, предлагающим обработку с ЧПУ, чтобы выбрать то, что подходит для ваших конкретных потребностей проекта относительно состава материала.

В: Какие типы пластика обычно используются при обработке на станках с ЧПУ?

A: ABS, поликарбонат, нейлон, ацеталь (Delrin), PEEK и UHMW являются распространенными пластиковыми материалами, используемыми в обработке на станках с ЧПУ. Они обладают различными характеристиками, такими как прочность, гибкость или химическая стойкость. Если вам нужен прототип, изготовленный из пластиковых деталей, то выбирайте ABS. Если вам нужна прочность и износостойкость, то выбирайте нейлон. Поликарбонат можно использовать, когда требуются оптическая прозрачность и ударная вязкость; поэтому он широко применяется в различных приложениях в области фрезерования и токарной обработки с ЧПУ, где они имеют дело с обработкой пластика на станках с ЧПУ.

В: Почему при обработке на станках с ЧПУ используют углеродистую сталь?

A: Благодаря своей прочности, долговечности и экономической эффективности углеродистая сталь часто является популярным выбором для этого вида процесса обработки, и как таковая, она считается одним из предпочтительных вариантов для мягких металлов. Она обычно используется в деталях с высокой прочностью на разрыв и твердостью. Углеродистая сталь может быть закалена посредством термической обработки, что приводит к желаемым свойствам. Даже если она не обеспечивает коррозионной стойкости, как нержавеющая сталь, она идеально подходит для ситуаций, когда нужен прочный материал, поскольку большинство станков и промышленного оборудования изготавливаются из нее.

В: Какое влияние оказывает выбор материала на процесс обработки на станке с ЧПУ?

A: Обработка с ЧПУ во многом зависит от выбора материала. Различные материалы требуют определенных инструментов, скоростей резания и скоростей подачи. Например, более твердые материалы требуют более низких скоростей резания и более жесткого инструмента, тогда как более мягкие материалы можно обрабатывать быстрее. Кроме того, свойства материала также влияют на допуски, которые могут быть достигнуты, и качество поверхности, которое может быть получено. Правильный выбор материала для ЧПУ улучшит общее качество деталей, одновременно максимизируя эффективность обработки и продлевая срок службы инструмента.

В: Какие факторы следует учитывать при выборе металла и пластика для моего проекта по обработке на станке с ЧПУ?

A: При выборе между металлами и пластиками для вашего проекта обработки с ЧПУ следует учитывать несколько факторов, в том числе требования к прочности, ограничения по весу, условия окружающей среды и стоимость, среди прочего. Металлы, как правило, обладают более высокой прочностью и термостойкостью, чем пластики; следовательно, они больше подходят для структурных компонентов или приложений с высокой нагрузкой. Пластики имеют малый вес и менее устойчивы к коррозии, при этом они в большинстве случаев дешевле. В зависимости от таких факторов, как механические свойства, желаемая химическая стойкость или эстетические цели, выберите металл или пластик в качестве наилучшего возможного источника изготовления для ваших нужд в станках с ЧПУ, чтобы вы идеально достигли своих целей.

Справочные источники

1. «Сравнение скорости съема материала алюминиевого сплава AA6082 между новым инструментом с покрытием AlTiN и твердосплавным инструментом без покрытия при токарной обработке с ЧПУ» Венката Ганга Бабу Чикатла и Д. Винодх (2022)

Основные выводы:

• В данном исследовании предполагается рассмотреть скорость съема материала (MRR) для алюминиевого сплава 6082, обработанного с использованием различных инструментов для нанесения покрытий.
• Результаты показывают, что инструмент с покрытием AlTiN превосходит твердосплавный инструмент без покрытия по показателю MRR, т. е. 0.19745 г/с по сравнению с 0.16110 г/с соответственно, что указывает на существенное повышение производительности за счет нанесения покрытия на процесс обработки.

Методология:

• Оба инструмента использовались для выполнения токарных операций на алюминиевом сплаве AA6082. Были проведены измерения MRR и статистический анализ для определения того, были ли наблюдаемые различия значимыми.

2. Название статьи: «Экспериментальная оптимизация параметров высокоточной токарной обработки материалов AL6061 для автомобильной промышленности на основе серого реляционного анализа» Автор: J. Puoza et al. (2023)».

Ключевые результаты

• В этом исследовании представлено исследование оптимизации параметров токарной обработки для алюминиевого сплава AL6061, одного из наиболее часто используемых материалов в автомобильной промышленности. Он ценится за свои благоприятные механические свойства и обрабатываемость.
• Было показано, что достигаются оптимальные скорости резания и подачи, что приводит к минимальной погрешности размеров и повышению микротвердости поверхности.

Методология

• Авторы провели свое исследование, используя подход центрального композитного проектирования (CCD), чтобы выяснить, как различные параметры обработки влияют на производительность AL6061 в процессе токарной обработки, используя методологию поверхности отклика (RSM).

3. Название: Рахул Шарма и др. (2021). «Оптимизация параметров процесса обработки алюминиевого сплава AA6262 T6 для токарной обработки с ЧПУ с помощью реляционного анализа Грея»

Основные выводы:

• В данной статье рассматривается оптимизация параметров обработки алюминиевого сплава AA6262 T6, который отличается высокой обрабатываемостью и прочностью.
• Полученные результаты показывают, что оптимизация скорости подачи, скорости резания и глубины резания может значительно улучшить шероховатость поверхности и скорость съема материала.

Методы:

• Исследователи использовали реляционный анализ Грея (GRA) для оптимизации параметров токарной обработки, проведя эксперименты с использованием твердосплавных пластин без покрытия в условиях сухого резания.

4. Ведущий поставщик услуг токарной обработки с ЧПУ в Китае