10 наиболее часто используемых металлических материалов для токарных станков с ЧПУ

В области точного производства, токарные станки с ЧПУ (компьютерное числовое управление) , благодаря своей высокой точности, высокой эффективности и высокой гибкости, стали незаменимым основным оборудованием в современном промышленном производстве. Однако качество токарной обработки с ЧПУ зависит не только от точности самого станка и сложности системы ЧПУ, но и в значительной степени от характеристик обрабатываемого материала.

Различные металлические материалы демонстрируют совершенно разное поведение во время обработки: некоторые материалы обладают хорошей обрабатываемостью, что позволяет выполнять сверхвысокоскоростную обработку; другие из-за их высокой прочности, низкой теплопроводности или высокой химической активности создают проблемы при механической обработке.

Обзор материалов. Краткая справочная таблица.

01 Углеродистая сталь

Типичные оценки: сталь 45#, Q235, 1045

Углеродистая сталь является одним из наиболее широко используемых металлических материалов в промышленном производстве. Содержание углерода в ней колеблется от 0,02% до 2,11%, и в зависимости от содержания углерода ее можно разделить на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую сталь.

При токарной обработке на станках с ЧПУ сталь 45# широко используется для обработки валов, дисков и втулок благодаря своим хорошим комплексным механическим свойствам. После закалки и отпуска твердость стали 45# может достигать HRC28-32, что соответствует требованиям, предъявляемым к большему числу механических деталей.

Рекомендуемые параметры обработки: Скорость резания 180-250 м/мин, подача 0,1-0,3 мм/об, глубина резания 1-5 мм.

• Рекомендуемые области применения: Детали вала, заготовки шестерен, болты, фланцы

02 Легированная сталь

Типичные оценки: 40Cr, 42CrMo, 20CrMnTi

Легированная сталь улучшает свои механические и технологические свойства за счет добавления легирующих элементов, таких как хром, молибден, никель и марганец. По сравнению с углеродистой сталью легированная сталь имеет более высокую прочность, твердость и износостойкость.

40Cr — наиболее часто используемая легированная конструкционная сталь в Китае. После закалки и отпуска он обладает хорошими механическими свойствами и хорошей прокаливаемостью, что делает его пригодным для изготовления важных деталей среднего сечения. 42CrMo, благодаря своей хорошей жаропрочности и сопротивлению ползучести, часто используется в ключевых деталях автомобильной и аэрокосмической промышленности.

При резке легированной стали рекомендуется использовать твердосплавные режущие инструменты со скоростью резания 100–180 м/мин. Обеспечьте достаточное охлаждение, чтобы продлить срок службы инструмента.

• Рекомендуемые приложения: Карданные валы, коленчатые валы, шатуны, высокопрочные болты

03 Нержавеющая сталь

Типичные оценки: 304, 316Л, 303, 430

Нержавеющая сталь широко используется в пищевом оборудовании, медицинском оборудовании, химическом оборудовании и отделке зданий благодаря своей хорошей коррозионной стойкости и эстетичной поверхности.

Нержавеющая сталь имеет плохую обрабатываемость, что проявляется главным образом в высоких силах резания, низкой теплопроводности, склонности к наклепу и прихватыванию инструмента. При обработке нержавеющей стали марки 304 используйте твердосплавные пластины с высоким содержанием кобальта (например, YG8), скорость резания 60–100 м/мин, скорость подачи 0,08–0,15 мм/об и достаточное количество смазочно-охлаждающей жидкости.

Сталь 316L обладает более высокой коррозионной стойкостью из-за присутствия молибдена и часто используется в морской среде и химической промышленности, но ее сложнее обрабатывать и требуется снижение скорости резания на 15–20%.

• Рекомендуемые области применения: Клапаны, насосы, медицинское оборудование, детали пищевого оборудования

04 Алюминиевый сплав

Типичные оценки: 6061, 7075, 2024, 6063

Алюминиевые сплавы являются наиболее широко используемыми металлическими материалами после стали. Их плотность составляет всего 1/3 плотности стали, но их прочность может достигать уровня обычной стали, они обладают хорошей коррозионной стойкостью и электропроводностью.

Алюминиевые сплавы обладают хорошей обрабатываемостью, что позволяет осуществлять высокоскоростную резку. При обработке алюминиевого сплава 6061 скорости резания могут достигать 400–1000 м/мин при подачах 0,1–0,5 мм/об. Рекомендуется использовать специальные режущие инструменты из алюминиевого сплава (большой передний угол, высокая острота кромки), а также водорастворимую смазочно-охлаждающую жидкость или сухую резку.

Аэрокосмический алюминий 7075 благодаря своей сверхвысокой прочности (предел прочности может достигать более 500 МПа) широко используется в авиакосмической сфере, но его обработка немного сложнее, чем у серии 6061, что требует незначительного снижения скорости резания.

• Рекомендуемые области применения: Автомобильные детали, электронные корпуса, велосипедные компоненты.

05 Медный сплав

Типичные оценки: Латунь H59, H62, оловянная бронза QSn6-6-3

К медным сплавам относятся латунь, бронза, медно-никелевый сплав и многие другие разновидности. Благодаря хорошей электро- и теплопроводности и коррозионной стойкости они широко используются в электротехнической, приборостроительной и судостроительной промышленности.

Свинцовистая латунь (например, HPb59-1) обладает хорошей обрабатываемостью среди медных сплавов и известна как «медный сплав, легко обрабатываемый». Скорость резания может достигать 300–500 м/мин, а шероховатость поверхности легко может достигать Ra 0,8 мкм. Бессвинцовая латунь постепенно вытесняет свинцовосодержащие разновидности из-за экологических требований, однако ее обрабатываемость несколько снижается.

При обработке медных сплавов для получения хорошего качества поверхности следует использовать больший передний угол (15–20°) и острую режущую кромку. Обратите внимание, что медные сплавы склонны к образованию наростов на кромках; рекомендуется увеличить скорость резания.

• Рекомендуемые области применения: Проводящие компоненты, клапаны, подшипники, прецизионные детали приборов.

06 Титановый сплав

Типичные оценки: ТС4 (Ти-6Ал-4В), ТС11, ТА2

Титановые сплавы обладают такими преимуществами, как низкая плотность (около 4,5 г/см³), высокая прочность и хорошая коррозионная стойкость, что делает их незаменимыми материалами для аэрокосмической промышленности, медицинских имплантатов и высококачественных спортивных товаров. TC4 — наиболее широко используемый титановый сплав, сочетающий в себе высокую прочность и хорошую обрабатываемость.

Обработка титановых сплавов чрезвычайно сложна, в первую очередь из-за его теплопроводности, составляющей всего 1/7 от теплопроводности железа, низкого модуля упругости (склонен к вибрации) и высокой химической активности (легко прилипает к режущему инструменту). При обработке TC4 скорость резания следует контролировать в пределах от 30 до 80 м/мин, что требует использования большого количества смазочно-охлаждающей жидкости под высоким давлением и выбора мелкозернистого твердосплавного режущего инструмента с PVD-покрытием.

Стратегия обработки: Используйте попутное фрезерование, чтобы уменьшить ширину резания и увеличить глубину резания, избегая застоя инструмента на обрабатываемой поверхности во избежание перегрева заготовки.

• Рекомендуемые области применения: Медицинские имплантаты, глубоководное оборудование

07 Чугун

Типичные оценки: Серый чугун HT200, ковкий чугун QT600, ковкий чугун

Чугун представляет собой железо-углеродистый сплав с содержанием углерода более 2,11% и подразделяется на серый чугун, ковкий чугун, белый чугун, ковкий чугун, чугун с вермикулярным графитом и т. д. Благодаря хорошей литейности, гашению вибрации и износостойкости чугун широко используется в станинах станков, блоках двигателей и т. д.

При обработке серого чугуна, поскольку его графит существует в чешуйчатой форме, резание фрагментируется, что делает его менее склонным к образованию наростов на кромках, что приводит к хорошей обрабатываемости. Скорость резания может достигать 100-200 м/мин, обычно применяют сухую резку или охлаждение сжатым воздухом, избегая использования смазочно-охлаждающей жидкости (для предотвращения термического растрескивания).

Ковкий чугун, поскольку его графит имеет сферическую форму, имеет значительно повышенную вязкость, что затрудняет обработку, чем серый чугун, аналогично обработке низколегированной стали. Это требует соответствующего снижения скорости резания и применения покрытия инструмента.

• Рекомендуемые приложения: Направляющие станков, блоки двигателей и головки цилиндров, тормозные диски, корпуса насосов

08 Суперсплавы на основе никеля

Типичные оценки: Инконель 718, Васпалой, GH4169

Суперсплавы на основе никеля сохраняют хорошие механические свойства и стойкость к окислению при высоких температурах, что делает их незаменимыми материалами для высокотемпературных компонентов, таких как лопатки турбин и камеры сгорания в авиационных двигателях. Inconel 718 в настоящее время является наиболее широко используемым деформируемым суперсплавом.

Обработка суперсплавов является одной из наиболее сложных задач при резке металлов. Они демонстрируют сильную склонность к наклепу, плохую теплопроводность и силы резания в 2–3 раза выше, чем у стали 45#, что приводит к сильному износу инструмента. При обработке Inconel 718 скорость резания составляет всего 20–40 м/мин, что требует использования керамических или CBN инструментов и охлаждения под высоким давлением (50–100 бар).

Последние тенденции: Внедрение новых процессов, таких как высокоскоростное фрезерование вместо токарной обработки и резка ультразвуком, может повысить эффективность обработки на 30–50 % и продлить срок службы инструмента в 2–3 раза.

• Рекомендуемые области применения: Атомно-энергетическое оборудование, нефтехимическое оборудование

09 Инструментальная и штамповая сталь

Типичные оценки: Инструментальные стали Р20, Н13, Д2, СКД11 широко используются при изготовлении различных форм (литьевых форм, форм для литья под давлением, ковочных штампов). Инструментальные стали для горячей обработки (например, H13) должны работать в условиях высоких температур и высокого давления, тогда как инструментальные стали для холодной обработки (например, D2) требуют чрезвычайно высокой износостойкости.

Твердое точение/фрезерование относится к процессу резания материалов с твердостью HRC45 или выше и является эффективной альтернативой традиционному шлифованию. При обработке литейной стали HRC58 D2 следует использовать пластины из CBN со скоростью резания 100–150 м/мин, подачей 0,05–0,1 мм/об, небольшой глубиной резания (0,1–0,5 мм), сухим резанием или минимальной смазкой.

Преимущества жесткого точения: Прецизионную обработку внутреннего и наружного диаметров и торцов можно выполнить за один установ, при этом допуски по форме и положению контролируются в пределах 5 мкм, шероховатость поверхности Ra - 0,4 мкм, производительность в 3-5 раз выше, чем у шлифования.

• Рекомендуемые области применения: Формы для литья под давлением, формы для литья под давлением, штампы для штамповки, производство инструментов

10. Магниевый сплав

Типичные оценки: АЗ31, АЗ91, ЗК60

Магниевые сплавы в настоящее время являются самыми легкими металлическими конструкционными материалами, используемыми в технике. Их плотность составляет всего 2/3 плотности алюминиевых сплавов и 1/4 плотности стали, они обладают хорошими свойствами гашения вибрации и электромагнитного экранирования. Спрос продолжает расти в автомобильной легкой промышленности, 3C-электронике и аэрокосмической отрасли.

Магниевые сплавы обладают хорошей обрабатываемостью, низкой силой резания и скоростью резания, достигающей 600–1000 м/мин, что обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность обработки. Однако наибольшую угрозу безопасности, связанную с магниевыми сплавами, представляет собой воспламеняемость стружки. Контакт магниевой стружки с водой или воздухом может привести к возгоранию или даже взрыву. Поэтому во время обработки необходимо использовать специальную смазочно-охлаждающую жидкость (на основе минерального масла) или сухую резку в сочетании с продувкой газом с высокой скоростью потока. Использование смазочно-охлаждающих жидкостей на водной основе строго запрещено.

Меры безопасности в мастерской: Оборудовать цеха сухим песком или специальными металлическими огнетушителями (водные и CO₂ огнетушители запрещены). Своевременно очищайте стружку, чтобы предотвратить ее накопление.

• Рекомендуемые области применения: Корпуса автомобильных трансмиссий, корпуса ноутбуков

Тенденции отрасли и перспективы развития технологий

По мере того, как обрабатывающая промышленность ускоряет переход к интеллектуальному и «зеленому» производству, обработка металла на токарном станке с ЧПУ Область демонстрирует следующие важные тенденции развития:

• 1. Широкое внедрение технологии высокоскоростной резки (HSC): скорость резки легких сплавов, таких как алюминиевые сплавы, превысила 1000 м/мин, что значительно повышает эффективность обработки.
• 2. Прорыв в обработке труднообрабатываемых материалов. Новые процессы, такие как ультразвуковая вибрационная резка и криогенная резка с охлаждением (жидкий азот/CO₂), позволили добиться значительных результатов при обработке титановых и жаропрочных сплавов.
• 3. Повышенные требования к экологически чистому производству. Решения для экологически безопасной обработки, такие как бессвинцовые медные сплавы и смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе, заменяющие минеральное масло, становятся основным выбором.
• 4. Оптимизация процесса с помощью искусственного интеллекта. Автоматические системы оптимизации параметров резки, основанные на больших данных и искусственном интеллекте, могут корректировать стратегии обработки в реальном времени в соответствии с различиями в партиях материалов, что значительно снижает процент брака.
• 5. Развитие композитных обрабатывающих центров: многопроцессные интегрированные методы обработки, такие как фрезерно-токарная и аддитивная/субтрактивная обработка, значительно сокращают количество операций зажима деталей и повышают точность обработки сложных деталей.