Материалы для обработки с помощью ЧПУ: металлы, пластмассы и композиты, классифицируемые по обрабатываемости

Выбор материала определяет большую часть стоимости детали, но редко получает такое же внимание инженеров. Команда может потратить три недели на оптимизацию CAD-модели и тридцать минут на выбор материала, а затем удивляться, почему цена за деталь на 60 процентов выше ожидаемой или почему первая партия не проходит полевые испытания.

Материал, который вы указываете, определяет скорость резки, количество изнашиваемых инструментов, время на оснастку и то, как готовая деталь будет работать в своей среде эксплуатации. Правильный выбор — и обработка будет быстрой, дешевой и предсказуемой. Неправильный — и никакая оптимизация программирования или хитроумная оснастка не компенсируют затраты.

Данное руководство охватывает все основные материалы для ЧПУ-обработки из металлов, конструкционных пластиков и специальных сплавов. Каждый материал оценивается по обрабатываемости, механическим свойствам, стоимости и областям применения, где он действительно уместен. В итоге вы получите четкую, основанную на данных основу для выбора правильного материала до получения предложения, а не после него.

Что на самом деле означает обрабатываемость и почему она влияет на стоимость?

Обрабатываемость — это относительная легкость, с которой материал может быть разрезан для получения размерно точной детали с приемлемой чистотой поверхности, при разумном сроке службы инструмента и скорости резания. Это не одно свойство. Это совокупный результат твердости материала, теплопроводности, поведения при образовании стружки, склонности к упрочнению при деформации и абразивности.

Почему обрабатываемость напрямую влияет на стоимость: материал с высокой обрабатываемостью, такой как алюминий 6061, позволяет использовать скорости резания от 300 до 600 метров в минуту со стандартным твердосплавным инструментом, производя тысячи деталей на один инструмент до его замены. Материал с низкой обрабатываемостью, такой как Inconel 625, требует скоростей резания ниже 30 метров в минуту, потребляет инструмент в 20-50 раз быстрее и требует значительно больше времени на обработку одной детали. Та же геометрия из Inconel стоит в 8-15 раз дороже в обработке, чем из алюминия, даже без учета разницы в цене сырья.

Рейтинги обрабатываемости металлов обычно выражаются в процентах относительно легкообрабатываемой стали AISI 1112, которой присвоен базовый уровень 100 процентов. Материалы выше 100 обрабатываются легче, чем эта эталонная сталь; материалы ниже 100 — труднее. Справочные значения American Machinist[1]помещают алюминиевые сплавы в диапазон от 300 до 1500 процентов, латунь — 200 процентов, мягкую сталь — 65 процентов, нержавеющую сталь 304 — 45-50 процентов, титан марки 5 — 22 процента, а Inconel 625 — 8-12 процентов. Эти цифры показывают вам, до начала обработки, как стоимость детали будет масштабироваться относительно вашего базового выбора материала.

Как сравниваются самые распространенные металлы для ЧПУ по обрабатываемости, прочности и стоимости?

Таблица ниже охватывает двенадцать металлов, наиболее часто используемых для ЧПУ-обработки. Свойства отражают типичные значения для наиболее распространенного состояния или марки, используемой в производстве ЧПУ. Относительная стоимость индексируется по алюминию 6061-T6 как базовому значению 1.0x.

Множители стоимости в таблице выше учитывают цену сырья, время обработки (обусловленное обрабатываемостью и скоростью резания) и расход инструмента. Деталь из титана марки 5, которая обрабатывается 2 часа из алюминия, может потребовать 8-12 часов из титана со значительно более частой сменой инструмента. Это соотношение, а не только цена сырья, определяет разницу в конечной стоимости детали.

Какой металл выбрать для вашей детали, изготовленной на ЧПУ?

Алюминий 6061-T6: стандартный выбор

Алюминий 6061-T6 является самым широко используемым материалом для ЧПУ-обработки в мире, и не без оснований. Его рейтинг обрабатываемости в 1500 процентов относительно легкообрабатываемой стали означает, что инструменты служат долго, время цикла короткое, а чистота поверхности Ra 0.8-1.6 мкм достижима без особых усилий. Предел прочности на разрыв 310 МПа и предел текучести 276 МПа покрывают структурные требования подавляющего большинства корпусов, кронштейнов, кожухов и конструктивных элементов в аэрокосмической, автомобильной, потребительской электронике и промышленном оборудовании.

Теплопроводность 167 Вт/м·К делает его первым выбором для радиаторов и компонентов теплоотвода. Он хорошо анодируется в любой цвет, принимает порошковое покрытие и химические конверсионные покрытия, а также легко сваривается. Если вы не выявили конкретного свойства, которое 6061 не может обеспечить, 6061 — ваш материал.

Алюминий 7075-T6: когда прочность должна возрасти

Когда 6061 не соответствует структурным требованиям, следующим выбором является 7075-T6. Предел прочности на разрыв 540 МПа и предел текучести 503 МПа делают его самым прочным из широко обрабатываемых алюминиевых сплавов, почти в два раза прочнее 6061 в состоянии T6. Это обеспечивает ему доминирующее положение в конструкционных элементах аэрокосмической техники, высокопроизводительных велосипедных рамах и оборонной технике, где вес является жестким ограничением, а прочность не может быть скомпрометирована.

Компромиссы реальны. 7075 стоит в 2.0-3.0 раза дороже, чем 6061, только по сырью. Он практически не сваривается для конструкционных целей из-за коррозионного растрескивания под напряжением в зонах термического влияния сварки. Его коррозионная стойкость ниже, чем у 6061, что требует защитного анодирования или покраски в наружных или морских условиях. Качество анодированного цвета менее стабильно, чем у 6061. Указывайте 7075 только тогда, когда предел текучести действительно превышает предел 6061 в 276 МПа для вашего применения. Указание его инстинктивно для деталей, с которыми 6061 справляется комфортно, является одной из самых распространенных и дорогих ошибок при выборе материала в прецизионном производстве.

Нержавеющая сталь 304 против 316L: выбор зависит от среды

Обе марки, 304 и 316L, являются аустенитными нержавеющими сталями с почти идентичными механическими свойствами: предел прочности на разрыв около 515 МПа, хорошая ударная вязкость при криогенных температурах и немагнитное поведение в отожженном состоянии. Разница между ними полностью заключается в коррозионной стойкости, обусловленной содержанием молибдена 2-3% в 316L. Этот молибден повышает число эквивалента стойкости к питтингу (PRE) с 18 в 304 до 26 в 316L, что на 44% улучшает стойкость к хлоридному воздействию.

Используйте 304, когда деталь эксплуатируется в помещении или в средах без хлоридов: кухонное оборудование, внутренние архитектурные элементы, резервуары для хранения жидкостей без агрессивных сред и общие промышленные кронштейны. Используйте 316L, когда хлориды присутствуют в среде эксплуатации: морское оборудование, медицинские устройства, контактирующие с солевыми или стерилизующими химикатами, оборудование для химической обработки и прибрежные наружные конструкции. Премия за сырье для 316L составляет 30-40% по сравнению с 304. Стоимость ЧПУ-обработки почти идентична, поскольку обе марки упрочняются при деформации с одинаковой скоростью и обрабатываются примерно со скоростью 45-50% от скорости легкообрабатываемой стали.

Титан Ti-6Al-4V (марка 5): производительность по цене

Титан марки 5 обеспечивает удельное отношение прочности к плотности, с которым не может сравниться ни один другой широко обрабатываемый металл. При пределе прочности на разрыв 900 МПа и плотности 4.43 г/см³ он обеспечивает структурные характеристики многих сталей при весе в 45%. В сочетании с коррозионной стойкостью, которую титан сохраняет в морской воде, концентрированной азотной кислоте и биологических средах без какой-либо поверхностной обработки, он является обязательным выбором для постоянных медицинских имплантатов, критически важных по весу конструкционных элементов аэрокосмической техники и высокопроизводительных деталей для автоспорта.

Премия за стоимость обработки не является незначительным фактором. Ti-6Al-4V обрабатывается со скоростью 22% от скорости легкообрабатываемой стали, требует медленных скоростей резания (обычно 30-60 метров в минуту), генерирует значительное тепло на границе раздела инструмент-стружка, которое необходимо контролировать с помощью агрессивных стратегий охлаждения, и потребляет инструмент в 5-10 раз быстрее, чем алюминий. Деталь, обработка которой в 6061 алюминии стоит 50 долларов США, может стоить 300-600 долларов США или более в титане марки 5. Эта премия оправдана, когда применение действительно этого требует. Она неоправдана и является распространенной, когда инженеры выбирают титан из престижа, а не из необходимости[2].

Inconel 625 и 718: только для экстремальных условий

Сплавы Inconel — это никель-хромовые суперсплавы, которые сохраняют свои механические свойства при температурах, при которых алюминий плавится, а сталь размягчается. Inconel 625 сохраняет полезную прочность до 980 градусов Цельсия. Inconel 718, с более высоким содержанием алюминия и титана, достигает предела прочности на разрыв более 1375 МПа после старения и термообработки, сохраняя при этом стойкость к окислению при повышенных температурах. Эти свойства делают их единственным жизнеспособным выбором для компонентов горячей зоны газовых турбин, дисков реактивных двигателей, сопел ракетных двигателей и подводного нефтегазового оборудования, где сочетаются давление, температура и коррозия.

Штраф за обрабатываемость суров. Inconel 625 обрабатывается со скоростью 8-12% от скорости легкообрабатываемой стали, требует премиального твердосплавного или керамического инструмента и постоянного использования обильного охлаждения. Стоимость обработки по сравнению с алюминием в 12-20 раз выше для 625 и в 15-25 раз выше для 718. Эти материалы подходят для конструкций, где ни один другой сплав не выдерживает условий эксплуатации. Они не подходят для конструкций, где более дешевый материал соответствует спецификации.

Как конструкционные пластики сравниваются как материалы для ЧПУ-обработки?

Конструкционные пластики стали основной категорией в прецизионной ЧПУ-обработке. Они обеспечивают значительное снижение веса по сравнению с металлами (обычно на 75-85% легче), электроизоляцию, химическую стойкость и, в некоторых случаях, механические свойства, приближающиеся к свойствам алюминия. Их обрабатываемость, как правило, превосходна, но они представляют иные проблемы, чем металлы: накопление тепла из-за низкой теплопроводности, плавление поверхности при высоких скоростях резания, размерная нестабильность из-за поглощения влаги и проблемы с контролем стружки у некоторых марок.

Delrin (POM): пластик для прецизионной обработки

Delrin, торговое название полиоксиметилена (POM) ацеталя, является наиболее подходящим конструкционным пластиком для прецизионной ЧПУ-обработки. Он обрабатывается с исключительной размерной стабильностью: низкий коэффициент теплового расширения, минимальное поглощение влаги и чистое образование стружки, что позволяет получать допуски 0.05 мм или лучше на обработанных элементах. Его низкий коэффициент трения и отличная износостойкость делают его стандартным выбором для прецизионных шестерен, втулок, роликов и скользящих компонентов, где металл был бы слишком тяжелым или создавал бы шум и износ на сопрягаемых поверхностях. Стоимость умеренная, а обработка быстрая. Для любого применения, где подходит конструкционный пластик, сначала оцените Delrin.

PEEK: выбор для высокопроизводительных применений

PEEK (полиэфирэфиркетон) находится на вершине иерархии конструкционных пластиков. Он сочетает предел прочности на разрыв 100 МПа с непрерывной рабочей температурой до 250 градусов Цельсия и химической стойкостью практически ко всем промышленным растворителям, топливам и стерилизующим агентам. Его удельная прочность в некоторых ориентациях конкурирует с алюминием. В производстве медицинских устройств радиолюцентность PEEK (он не виден на рентгеновских снимках), биосовместимость и способность многократно стерилизоваться без деградации делают его стандартным материалом для спинальных имплантатов, костных пластин и компонентов хирургических инструментов. Стоимость материала в 10-20 раз выше, чем у Delrin, а обработка требует острого инструмента, консервативных подач для предотвращения накопления тепла и тщального проектирования оснастки для предотвращения деформации детали. Указывайте PEEK только тогда, когда применение действительно требует его эксплуатационных свойств. Когда это так, ни один другой обрабатываемый пластик не может его заменить.

Как выбрать правильный материал для ЧПУ-обработки вашей детали?

Выбор материала следует иерархии ограничений. Проработайте их по порядку: сначала функция, затем среда, затем требования к допускам и чистоте поверхности, затем обрабатываемость и стоимость. Обратный порядок приводит к переинженерным или недоработанным деталям.

• Шаг 1: Определите механические требования: предел прочности на разрыв, предел текучести, усталостная прочность, ударная вязкость. Если алюминий 6061 соответствует условиям нагрузки, остановитесь на нем и оцените стоимость. Если нет, переходите к 7075, затем к стали, затем к титану. Не переходите к титану только потому, что деталь является «конструкционной».
• Шаг 2: Определите среду: диапазон температур, агрессивные среды, УФ-излучение, влажность и электрические требования. Если температура превышает 150 градусов Цельсия, алюминий исключается. Если присутствуют хлориды, нержавеющая сталь 304 исключается. Если деталь должна быть биосовместимой для постоянной имплантации, вашими кандидатами являются титан марки 5 или PEEK.
• Шаг 3: Определите требования к допускам и чистоте поверхности. Материалы, такие как Delrin и 6061, легко выдерживают жесткие допуски. Материалы, такие как PEEK и Inconel, требуют более тщательного контроля процесса для достижения того же уровня допусков. Если ваш допуск составляет 0.005 мм на нескольких поверхностях, материал должен быть размерно стабильным под воздействием сил обработки и температуры.
• Шаг 4: Оптимизируйте обрабатываемость в рамках заданных ограничений. Если два материала соответствуют вашим функциональным и экологическим требованиям, тот, у которого более высокий рейтинг обрабатываемости, обеспечивает более низкую стоимость за деталь. Это не компромисс. Это инженерная дисциплина.
• Шаг 5: Запросите DFM-обзор перед окончательным утверждением. 30-минутный разговор по DFM с инженерной командой Elite Mold Tech до выпуска чертежа может выявить замены материалов, которые снизят стоимость на 20-40% без ущерба для каких-либо требуемых эксплуатационных свойств.

Связанные руководства и источники Elite Mold Tech

Связанные руководства: полное руководство по выбору производственных процессов, объяснение допусков ЧПУ-обработки, услуги ЧПУ-обработки.

Авторитетные источники: данные о материалах ASM International, стандарты материалов ASTM International.

Получите DFM-обзор от Elite Mold Tech

Готовы перейти от чертежа к детали? Загрузите ваш CAD-файл в Elite Mold Tech и получите DFM-обзор в течение 12 часов с обратной связью по допускам, материалам и стоимости от нашей инженерной команды перед тем, как приступить к изготовлению оснастки.

Часто задаваемые вопросы

Почему алюминий 6061 является самым распространенным материалом для ЧПУ-обработки, когда существуют более прочные варианты?

Алюминий 6061-T6 доминирует в ЧПУ-обработке, поскольку он обеспечивает наилучшее сочетание обрабатываемости, механических характеристик, коррозионной стойкости и стоимости для широкого спектра промышленных применений. Его рейтинг обрабатываемости в 1500% относительно легкообрабатываемой стали означает, что станки работают быстро, инструменты служат долго, а время цикла остается коротким. Его предел прочности на разрыв 310 МПа и предел текучести 276 МПа покрывают структурные потребности корпусов, кронштейнов, кожухов, радиаторов и конструктивных элементов в аэрокосмической, автомобильной, электронной и потребительской продукции. Тот факт, что существуют более прочные варианты, не делает их лучшим выбором, если только условия нагрузки де