Выбор материалов для обработки на станках с ЧПУ: Полное руководство

В мире производства существует огромное разнообразие материалов, и с каждым днём появляются новые. Каждый из них имеет уникальные свойства, подходящие для конкретных задач и условий эксплуатации. Однако выбор наиболее подходящего материала из множества вариантов может быть сложным, особенно если нет чёткого плана действий. В этом руководстве представлен подробный и понятный подход к выбору материалов для обработки на станках с ЧПУ.

Мы рассмотрели основные характеристики материалов, включая как физические, механические и производственные, а также самые популярные материалы для обработки на станках с ЧПУ. Мы разобрали этапы выбора материала и важные факторы, которые нужно учитывать. Эти основные моменты помогут вам выбрать лучший материал для любой задачи. Давайте начнём.

Свойства материалов являются основополагающими факторами для инженеров при проектировании продукции, которая должна эффективно функционировать. Их можно условно разделить на физические, механические и производственные/технологические.

В контексте выбора материалов для ЧПУ особое внимание уделяется следующим параметрам: тепловым, химическим, оптическим, электрическим, магнитным свойствам, а также плотности и устойчивости к коррозии и окислению.

Плотность материала рассчитывается путём деления его массы на объём. Инженеры часто используют это свойство при проектировании. Например, могут быть выбраны алюминиевые сплавы, обладающие той же прочностью, что и сталь, но с меньшей плотностью, что делает их легче.

Включают:

• Точка плавления: влияет на обрабатываемость, свариваемость и возможность литья материалов;
• Тепловое расширение: высокое расширение вызывает внутренние напряжения и трещины;
• Теплопроводность: материалы с низкой теплопроводностью подвергаются значительным температурным перепадам, что может привести к деформации и повреждению режущего инструмента;
• Удельная теплоёмкость: материалы с низкой теплоёмкостью быстро нагреваются, что влияет на точность обработки и срок службы инструмента.

Электропроводность важна для электрохимической и электроэрозионной обработки. Сплавы, которые обычно менее электропроводны, чем чистые металлы, не могут быть идеальными материалами для электрохимической и электроэрозионной обработки. Что касается магнитных свойств, то некоторые материалы, испытывают магнитострикцию. Материалы с магнитострикцией, например, чистый никель, меняют свою форму, расширяясь или сжимаясь при изменении магнитного поля, проходящего через них. Таким образом, если вы обрабатываете материал, который будет использоваться для изготовления излучателя в ультразвуковой ванне, используйте чистый никель или некоторые железоникелевые сплавы.

На этапе финишной обработки важно учитывать отражательные свойства поверхности. Твёрдость материала может усложнить достижение желаемой гладкости.

Устойчивость к коррозии особенно важна в таких отраслях, как нефтехимия и пищевая промышленность. Примеры устойчивых материалов: никель, медь, титан, пластики, керамика.

Эти свойства влияют на пригодность материалов для конкретных операций, так как связаны с их деформацией под нагрузкой.

Способность материала противостоять внешним усилиям. Типы прочности включают ползучесть, усталостную прочность, предел текучести и растяжения.

Способность материала возвращаться в исходную форму после деформации. Важна для режущих инструментов.

Устойчивость к локальной пластической деформации, связанная с прочностью на растяжение.

Энергия, необходимая для разрушения материала.

Пластичность — способность материала деформироваться без разрушения, хрупкость — её отсутствие.

Ключевые аспекты включают обрабатываемость, шлифуемость и термообрабатываемость.

Лёгкость или сложность механической обработки материала. Влияет на износ инструмента, форму стружки, качество поверхности, точность обработки и др.

Лёгкость шлифовки материала, включая износ шлифовального круга и качество поверхности.

Некоторые материалы требуют термообработки для улучшения свойств, таких как твёрдость или прочность.

Среди наиболее популярных материалов выделяют:

• Металлы: алюминий, железо, титан, золото.
• Сплавы: сталь, магниевые и медные сплавы.
• Керамику: оксид алюминия, карбид кремния.
• Полимеры: пластики с высокой устойчивостью к химии.
• Композиты: сочетания стеклянных или углеродных волокон с полимерной матрицей.
• Дерево: твёрдые и мягкие породы, композитные материалы.

Существует десятки тысяч полезных металлических и неметаллических инженерных материалов. Такое разнообразие делает выбор материала крайне сложной задачей. Более того, инженеры должны учитывать доступные им методы обработки во время процесса выбора материалов для обработки на станках с ЧПУ. Это связано с тем, что некоторые методы обработки лучше подходят для определённых материалов, чем другие.

Например, процесс твёрдого точения заменяет операции шлифовки при обработке твёрдых материалов. Это связано с тем, что твёрдое точение позволяет достичь отличного качества поверхности, округлости и допусков. Аналогично, для увеличения внутреннего диаметра уже существующего отверстия в заготовке из твёрдого материала, такого как закалённая сталь, более продуктивным будет использование твёрдого растачивания, чем внутренней шлифовки.

Поэтому процесс выбора материалов для обработки на станках с ЧПУ должен быть тщательно продуман. Только так можно быть уверенным, что выбран подходящий материал, который можно обрабатывать с помощью инструментов и станков с ЧПУ, доступных в вашем производстве. Наилучшей практикой является учёт материалов и методов обработки на ранних этапах проектирования и их уточнение по мере прохождения проекта через различные стадии.

Процесс выбора материалов состоит из пяти основных этапов:

1. Оценка необходимых характеристик материала.
2. Составление списка альтернатив.
3. Первичный отбор.
4. Сравнение и ранжирование альтернативных материалов.
5. Выбор оптимального материала.

Как уже отмечалось, инженерные материалы обладают уникальными свойствами, которые в совокупности определяют их пригодность для обработки. Однако эти свойства бесполезны, если они не соответствуют требованиям к характеристикам конечного изделия. Поэтому первым этапом процесса выбора материалов является анализ требований к характеристикам материала в сравнении с его свойствами и другими параметрами.

На этом этапе следует определить:

• Требования к надёжности.
• Устойчивость к условиям эксплуатации, например, к коррозионным средам или экстремальным температурам.
• Функциональные требования.
• Требования к обрабатываемости.
• Стоимость материала и её влияние на общее качество обработки.

После определения требований к материалу следующим этапом является поиск материалов, которые лучше всего соответствуют этим требованиям. На данном этапе рекомендуется рассмотреть весь спектр инженерных материалов, включая металлические и неметаллические.

Цель этого этапа — составить список возможных альтернатив без акцента на их практическую применимость.

Третий этап включает исключение неподходящих материалов, чтобы составить более компактный и удобный список. Этот этап базируется на практической применимости материалов.

Кроме того, на этом этапе важно оценить требования к характеристикам материала на жёсткие (обязательные) и гибкие (допустимые к компромиссу).

Несмотря на то, что этап первичного отбора сокращает список, его необходимо сузить ещё больше, чтобы оставить лишь несколько перспективных материалов. Для этого можно использовать количественные методы ранжирования, такие как метод цифровой логики, индекс производительности и другие.

Заключительный этап — это выбор оптимального материала. Логично, что материалы с наивысшими оценками по результатам ранжирования выбираются для конечного использования. Поскольку выбор материала происходит параллельно с проектированием, инженер может сразу учесть его преимущества при разработке окончательной конструкции.

Ключевые факторы включают:

1. Свойства материала. Материал должен соответствовать эксплуатационным требованиям (например, устойчивость к коррозии, прочность, долговечность).
2. Соответствие требованиям. Материал должен отвечать заданным характеристикам.
3. Стоимость. Должна учитываться стоимость материала и его обработки.
4. Проектирование изделия. Разные концепции дизайна могут требовать разных материалов.
5. Процесс обработки. Некоторые методы обработки лучше подходят для определённых материалов.
6. Масштабируемость. Материалы должны быть доступны и обладать стабильными свойствами для массового производства.

Мастерство в выборе материалов для обработки на станках с ЧПУ требует глубокого понимания свойств материалов, требований к характеристикам изделия, а также методов ранжирования и отбора. Хотя процесс может быть сложным, описанные подходы делают его проще и понятнее.

Если вам нужно подобрать оборудование для вашего предприятия, обращайтесь — наши менеджеры помогут сделать правильный выбор и предложат оптимальные решения для вашего производства.