Кіраўніцтва па выбары матэрыялаў для дэталяў, апрацаваных на станках з ЧПУ: параўнанне алюмінію, сталі і тытана

Выбар правільнага матэрыялу для дэталі, апрацаванай на станку з ЧПУ, з'яўляецца адным з найбольш важных рашэнняў у вытворчым працэсе. Перш чым адзін інструмент дакранецца да загатоўкі, выбар матэрыялу ўжо вызначае механічныя характарыстыкі дэталі, яе сумяшчальнасць з працэсам апрацоўкі і значную частку яе агульнага кошту вытворчасці. Калі зрабіць гэта правільна, у вас атрымаецца кампанент, які надзейна працуе ў межах спецыфікацыі на працягу запланаванага тэрміну службы. Калі зрабіць гэта няправільна, вы сутыкнецеся з паломкамі інструмента, нестабільнасцю памераў, заўчасным выхадам з ладу дэталі або перавышэннем бюджэту, пасля чаго цяжка акрыяць.

Тытан супраць алюмінію супраць сталі

У гэтым кіраўніцтве параўноўваюцца тры найбольш шырока выкарыстоўваныя катэгорыі матэрыялаў у апрацоўцы на станках з ЧПУ: алюміній, сталь і тытан. Для кожнай з іх мы разглядаем асноўныя механічныя ўласцівасці, распаўсюджаныя маркі, характарыстыкі апрацоўваемасці і сферы прымянення, у якіх яны працуюць найлепш.

Чаму выбар матэрыялу мае значэнне пры апрацоўцы на станках з ЧПУ

Выбар матэрыялу не з'яўляецца другарадным фактарам пры апрацоўцы на станках з ЧПУ. Ён знаходзіцца ў цэнтры кожнага наступнага інжынернага і вытворчага рашэння. Матэрыял вызначае, наколькі агрэсіўна можна апрацоўваць дэталь, як доўга праслужыць інструмент, ці захавае гатовы кампанент свае памеры пры цеплавым або механічным нагрузанні і, у рэшце рэшт, ці вытрымае дэталь сваё асяроддзе эксплуатацыі. Уласцівасці матэрыялу непасрэдна ўплываюць на сілы рэзання, цэласнасць паверхні і тэрмін службы інструмента, што робіць рашэнні аб матэрыялах на ранняй стадыі асновай эфектыўнасці працэсу. [1].

Ключавыя фактары, якія ўплываюць на выбар матэрыялу

Няма аднаго матэрыялу, які б выдатна падыходзіў для кожнай катэгорыі прадукцыйнасці. Выбар патрабуе ўзважвання некалькіх канкуруючых зменных у залежнасці ад канкрэтных патрабаванняў прымянення.

• Механічная трываласць. Матэрыял павінен вытрымліваць нагрузкі, якія ён будзе адчуваць падчас эксплуатацыі, без рэшткавай дэфармацыі або разбурэння. Дадзеныя аб мяжы цякучасці і трываласці на расцяжэнне, атрыманыя са стандартызаваных выпрабаванняў, такіх як пратаколы выпрабаванняў на расцяжэнне ASTM E8, забяспечваюць аснову для гэтых параўнанняў. [2].
• Патрабаванні да вагі. У аэракасмічнай прамысловасці, робататэхніцы і партатыўнай электроніцы маса з'яўляецца прамым фактарам прадукцыйнасці. Больш цяжкі кампанент, які адпавядае патрабаванням трываласці, усё яшчэ можа быць няправільным выбарам, калі ён дадае непатрэбную нагрузку на сістэму, распрацаваную з улікам эфектыўнасці выкарыстання вагі.
• Карозійная і тэрмаўстойлівая ўстойлівасць. Дэталі, якія працуюць у вільготным, хімічна агрэсіўным асяроддзі або пры высокіх тэмпературах, патрабуюць матэрыялаў, якія захоўваюць свае ўласцівасці ў гэтых умовах. Дэталь, якая добра працуе пры пакаёвай тэмпературы, можа хутка дэградаваць, калі пры выбары матэрыялу не ўлічваць умовы эксплуатацыі.
• Апрацоўваемасць. Некаторыя матэрыялы рэжуцца чыста і хутка; іншыя вылучаюць празмернае цяпло, умацоўваюцца пад рэжучым інструментам або выклікаюць паскораны знос інструмента. Апрацоўваемасць непасрэдна ўплывае на час цыкла, кошт інструмента і дасягальную якасць паверхні. Рэйтынгі апрацоўваемасці ASM International забяспечваюць стандартызаваны арыенцір для параўнання матэрыялаў у гэтай катэгорыі.
• Якасць аздаблення паверхні. Пэўныя сферы прымянення, асабліва медыцынскія прылады і аптычныя кампаненты, патрабуюць вельмі нізкіх значэнняў шурпатасці паверхні. Рэакцыя матэрыялу на аперацыі па аздабленні, у тым ліку шліфаванне, прыцірку і анадаванне, павінна адпавядаць спецыфікацыям канчатковага выкарыстання.
• Аб'ём вытворчасці. Матэрыял, які эканамічны пры невялікіх аб'ёмах вытворчасці, можа стаць занадта дарагім пры вялікіх маштабах вытворчасці, калі ён патрабуе частай змены інструмента, меншай хуткасці падачы або аперацый другаснай аздаблення. І наадварот, больш складаны ў апрацоўцы матэрыял можа быць апраўданым для вырабу невялікіх аб'ёмаў высокакаштоўнай дэталі.
• Бюджэтныя абмежаванні. Кошт сыравіны — гэта толькі адна частка ўраўнення. Час апрацоўкі, расход інструментаў, узровень браку і выдаткі на пасляапрацоўку — усё гэта ўплывае на агульны кошт дэталі.

Як матэрыялы ўплываюць на вытворчасць

Выбар матэрыялу ўплывае практычна на кожны этап апрацоўкі.

• Знос інструмента і час апрацоўкі з'яўляюцца аднымі з самых неадкладных наступстваў. Цвёрдыя абразіўныя матэрыялы, такія як інструментальная сталь або тытанавыя сплавы, значна паскараюць знос рэжучага інструмента ў параўнанні з алюмініем або інжынернымі пластмасамі. Пры апрацоўцы тытанавых сплаваў часта неабходна знізіць хуткасць рэзання на 50-70 працэнтаў у параўнанні з алюмініем, што непасрэдна павялічвае час цыклу і эксплуатацыйныя выдаткі. [3].
• Дакладнасць і стабільнасць памераў залежаць ад таго, як матэрыял рэагуе на цяпло, якое выпрацоўваецца падчас рэзання. Матэрыялы з высокімі каэфіцыентамі цеплавога пашырэння або тыя, якія схільныя да зняцця напружання падчас апрацоўкі, могуць змяняцца ў памерах пасля таго, як дэталь пакідае прыстасаванне. Гэта асабліва актуальна для кампанентаў з высокімі допускамі, дзе адхіленні нават у некалькі мікронаў недапушчальныя.
• Даўгавечнасць дэталяў і патрэбы ў абслугоўванні вызначаюцца тым, наколькі добра матэрыял супрацьстаіць зносу, стомленасці і ўздзеянню навакольнага асяроддзя на працягу тэрміну службы. Дэталь, вырабленая з правільнага матэрыялу для свайго прымянення, патрабуе менш тэхнічнага абслугоўвання, мае менш паломак падчас эксплуатацыі і мае больш нізкі агульны кошт валодання.
• Агульны кошт вытворчасці адлюстроўвае суму ўсіх гэтых зменных. Кошт матэрыялу, хуткасць апрацоўкі, тэрмін службы інструмента, узровень браку і патрабаванні да аздаблення разам вызначаюць, ці з'яўляецца праект эканамічна мэтазгодным пры неабходным аб'ёме вытворчасці.

Алюміній: лёгкі і просты ў апрацоўцы

Алюміній — найбольш шырока выкарыстоўваны метал у апрацоўцы на станках з ЧПУ, і нездарма. Ён спалучае нізкую шчыльнасць, добрую механічную трываласць і выключную апрацоўвальнасць, з якімі мала якія іншыя матэрыялы могуць параўнацца па параўнальнай цане. Для прымянення, дзе прыярытэтамі з'яўляюцца эфектыўнасць вагі і хуткасць вытворчасці, алюміній часта з'яўляецца першым матэрыялам, які ацэньваецца. Яго ўніверсальнасць у розных галінах прамысловасці, ад аэракасмічнай да бытавой электронікі, адлюстроўвае тое, наколькі добра яго ўласцівасці адпавядаюць шырокаму спектру інжынерных патрабаванняў.

Апрацоўка алюмінія з ЧПУ

Асноўныя ўласцівасці алюмінію

Прывабнасць алюмінію ў апрацоўцы на станках з ЧПУ абумоўлена некалькімі ўласцівасцямі, якія працуюць разам, а не якой-небудзь адной вылучальнай характарыстыкай.

• Лёгкі. Алюміній мае шчыльнасць прыблізна 2.7 г/см³, што прыкладна ўтрая менш, чым шчыльнасць сталі. Гэта робіць яго выбарам па змаўчанні для прымянення, адчувальных да вагі, дзе неабходна падтрымліваць структурныя характарыстыкі без дадання лішняй масы.
• Добрая ўстойлівасць да карозіі. Алюміній натуральным чынам утварае тонкі аксідны пласт на сваёй паверхні пры ўздзеянні паветра. Гэты пасіўны пласт забяспечвае значную абарону ад атмасфернай карозіі без дадатковай апрацоўкі, хоць анадаванне можа значна палепшыць гэты фактар ​​у больш суровых умовах. [4]
• Выдатная апрацоўваемасць. Алюміній рэжа чыста на высокіх хуткасцях з адносна нізкімі сіламі рэзання. Падчас апрацоўкі ён вылучае менш цяпла, чым сталь або тытан, што памяншае знос інструмента і дазваляе скараціць працягласць цыклаў. Гэта непасрэдна азначае зніжэнне выдаткаў на вытворчасць адной дэталі як пры малых, так і пры вялікіх аб'ёмах.
• Добрая цепла- і электраправоднасць. Дзякуючы гэтым уласцівасцям алюміній падыходзіць для вырабу радыятараў, электрычных корпусаў і кампанентаў цеплавога кіравання, дзе адвод цяпла з'яўляецца функцыянальным патрабаваннем.

Распаўсюджаныя класы апрацоўкі на станках з ЧПУ

Не ўсе алюмініевыя сплавы аднолькава працуюць пры апрацоўцы або эксплуатацыі. Выбар маркі ў сямействе алюмінію мае гэтак жа значэнне, як і выбар алюмінію сярод іншых матэрыялаў.

• 6061 Алюміній з'яўляецца найбольш распаўсюджаным алюмініевым сплавам, які выкарыстоўваецца ў апрацоўцы на станках з ЧПУ. Ён прапануе добры баланс трываласці, каразійнай устойлівасці і апрацоўваемасці, а таксама добра паддаецца анадаванню і іншым апрацоўкам паверхняў. Яго мяжа цякучасці прыблізна 276 МПа пры стане T6 робіць яго прыдатным для вырабу канструкцыйных кранштэйнаў, рам і карпусоў у шырокім дыяпазоне галін прамысловасці.
• 7075 Алюміній — гэта сплаў падвышанай трываласці з мяжой цякучасці, якая набліжаецца да 503 МПа ў стане Т6, што робіць яго адным з самых трывалых алюмініевых сплаваў, даступных для апрацоўкі. Ён выкарыстоўваецца там, дзе патрабаванні да трываласці перавышаюць тое, што можа надзейна забяспечыць сталь 6061, напрыклад, у канструкцыйных кампанентах самалётаў і высокапрадукцыйным спартыўным абсталяванні. Недахопам з'яўляецца нязначнае зніжэнне каразійнай устойлівасці ў параўнанні з 6061, што звычайна рэгулюецца з дапамогай ахоўных пакрыццяў.

перавагі

• Больш высокая хуткасць апрацоўкі. Алюміній можна апрацоўваць са хуткасцю рэзання ў два-тры разы вышэйшай, чым нізкавугляродзістая сталь, што скарачае час цыклу і значна павялічвае прадукцыйнасць.
• Меншыя выдаткі на механічную апрацоўку. Больш высокая хуткасць у спалучэнні са зніжаным зносам інструмента азначае, што вытворчасць алюмініевых дэталяў на адзінку абыходзіцца танней, чым эквівалентныя дэталі са сталі або тытана.
• Добрае суадносіны трываласці і вагі. Хоць алюміній не такі трывалы, як сталь у абсалютным выражэнні, яго трываласць адносна вагі канкурэнтаздольная для шырокага спектру канструкцыйных ужыванняў.
• Лёгкае анадаванне і аздабленне. Алюміній лёгка прымае анадаванне, парашковае пакрыццё і хімічную апрацоўку плёнкай, што дае інжынерам шырокі выбар варыянтаў аздаблення паверхні і абароны ад карозіі.

Недахопы

• Меншая зносаўстойлівасць, чым у сталі. Алюмініевыя паверхні хутчэй зношваюцца ва ўмовах абразіўнага ўздзеяння або высокага трэння, што абмяжоўвае іх выкарыстанне ў паверхнях падшыпнікаў і зонах кантакту з высокім узроўнем зносу без дадатковай апрацоўкі паверхні.
• Можа дэфармавацца пад уздзеяннем вялікіх нагрузак. Пры ўзроўнях напружання, якія сустракаюцца ў цяжкай прамысловасці, больш нізкая мяжа цякучасці алюмінію ў параўнанні са сталлю азначае, што ён можа дэфармавацца незваротна там, дзе сталь заставалася б эластычнай.

Тыповыя вобласці ўжывання

Дзякуючы сваім уласцівасцям алюміній з'яўляецца пераважным выбарам у некалькіх патрабавальных галінах прамысловасці.

• Аэракасмічныя кампаненты. Рэбры крыла, шпангоўты фюзеляжа і канструкцыйныя кранштэйны — гэта тыя, дзе зніжэнне вагі з'яўляецца асноўнай мэтай праектавання.
• Аўтамабільныя дэталі. Кранштэйны, корпусы і кампаненты падвескі, дзе паменшаная маса кампанентаў паляпшае паліўную эфектыўнасць і кіравальнасць.
• Корпусы электронікі. Корпусы і радыятары, дзе патрабуецца цеплаправоднасць і лёгкая канструкцыя.
• Запчасткі для робататэхнікі. Структурныя рычагі і кампаненты канцавога эфектара былі мінімізаваны, што непасрэдна палепшыла хуткасць сістэмы і спажыванне энергіі.

Сталь: высокая трываласць і даўгавечнасць

Сталь застаецца асновай прамысловай апрацоўкі на станках з ЧПУ. У той час як алюміній мае перавагі ў вазе, сталь забяспечвае трываласць на расцяжэнне, цвёрдасць і зносаўстойлівасць, якія патрабуюцца для цяжкіх умоў эксплуатацыі. Гэта матэрыял выбару, калі кампанент павінен вытрымліваць высокія нагрузкі, супрацьстаяць дэградацыі паверхні або надзейна працаваць на працягу працяглых цыклаў эксплуатацыі пад механічным уздзеяннем. Шырокі асартымент даступных марак сталі дае інжынерам дакладны кантроль над кампрамісам паміж трываласцю, глейкасцю, каразійнай устойлівасцю і апрацоўваемасцю.

Апрацоўка з нержавеючай сталі з ЧПУ

Асноўныя ўласцівасці сталі

• Высокая трываласць на разрыў. Сталёвыя сплавы маюць шырокі дыяпазон трываласці — ад мяккіх сталей з мяжой цякучасці каля 250 МПа да загартаваных інструментальных сталей з трываласцю больш за 1,900 МПа. Гэты дыяпазон робіць сталь прыдатнай для выключна шырокага спектру канструкцыйных і механічных ужыванняў. [5].
• Выдатная трываласць. Сталёвыя кампаненты захоўваюць свае механічныя ўласцівасці пры працяглых цыклічных нагрузках, што робіць іх добра прыдатнымі для выкарыстання ў вырабах з крытычна важнымі ўмовамі стомленасці, такіх як валы, шасцярні і канструкцыйныя крапежныя элементы.
• Добрая зносаўстойлівасць. Больш цвёрдыя маркі сталі значна лепш супрацьстаяць паверхневаму ізаляцыі і кантактнаму зносу, чым алюміній або большасць інжынерных пластмас, што вельмі важна для кампанентаў, якія пастаянна слізгаюць або ўдараюцца.
• Падыходзіць для прымянення з высокімі нагрузкамі. Спалучэнне высокай мяжы цякучасці і добрай трываласці азначае, што сталь можа паглынаць значную энергію перад разбурэннем, што вельмі важна для крытычна важных для бяспекі канструкцыйных кампанентаў.

Распаўсюджаныя класы апрацоўкі на станках з ЧПУ

Выбар маркі сталі істотна ўплывае як на характарыстыкі апрацоўкі, так і на характарыстыкі гатовай дэталі. Наступныя маркі сталі з'яўляюцца аднымі з найбольш часта выкарыстоўваных для апрацоўкі на станках з ЧПУ.

• Мяккая сталь 1018 — гэта нізкавугляродзістая сталь з добрай апрацоўкай і зварвальнасцю. Яе мяжа цякучасці прыблізна 370 МПа робіць яе прыдатнай для вырабу універсальных канструкцыйных кампанентаў, валаў і прыстасаванняў, дзе не патрабуецца надзвычайная трываласць. Яна чыста апрацоўваецца і з'яўляецца адным з найбольш эканамічна выгадных варыянтаў сталі для масавай вытворчасці.
• Нержавеючая сталь 304 — гэта найбольш шырока выкарыстоўваная марка нержавеючай сталі ў свеце. Яна мае добрую каразійную ўстойлівасць у большасці атмасферных і ўмерана хімічных асяроддзяў, з трываласцю на расцяжэнне прыблізна 515 МПа. Яна прызначана для харчовай прамысловасці, медыцыны і архітэктуры, дзе прыярытэтнымі з'яўляюцца гігіена і каразійная ўстойлівасць.
• Нержавеючая сталь 316 дадае малібдэн у склад сталі 304, што значна паляпшае ўстойлівасць да карозіі, выкліканай хларыдам. Гэта робіць яе пераважнай маркай для марскіх, фармацэўтычных і хімічных асяроддзяў, дзе сталь 304 будзе падвяргацца недапушчальнай карозіі. [6].
• Інструментальная сталь D2 — гэта высокавугляродзістая і высокахромістая інструментальная сталь для халоднай апрацоўкі з выключнай цвёрдасцю і зносаўстойлівасцю. Яна выкарыстоўваецца для рэжучых інструментаў, штампаў і пуансонаў, дзе цвёрдасць паверхні і стабільнасць памераў пад нагрузкай маюць вырашальнае значэнне. Яе апрацоўваемасць значна ніжэйшая, чым у нізкавугляродзістай або нержавеючай сталі, што павялічвае час вытворчасці і кошт інструмента.

перавагі

• Трывалейшы за алюміній. Больш высокая цякучасць і трываласць на разрыў сталі робяць яе правільным выбарам для кампанентаў, якія павінны вытрымліваць нагрузкі, якія перавышаюць надзейны дыяпазон алюмінію.
• Выдатныя структурныя характарыстыкі. Сталь захоўвае свае механічныя ўласцівасці ў шырокім дыяпазоне тэмператур, што робіць яе надзейнай як у навакольных, так і ў умерана падвышаных тэмпературах.
• Працяглы тэрмін службы. Правільна распрацаваныя і апрацаваныя сталёвыя кампаненты ўстойлівыя да стомленасці, зносу і дэфармацыі на працягу працяглых цыклаў службы, што зніжае частату замены і выдаткі на працягу ўсяго тэрміну службы.

Недахопы

• Цяжэйшы за алюміній. Шчыльнасць сталі, якая складае прыблізна 7.8 г/см³, амаль у тры разы перавышае шчыльнасць алюмінію. У выпадках, калі вага адчувальная, гэта істотнае пагаршэнне, якое павінна быць апраўдана патрабаваннямі да трываласці.
• Больш працяглы час апрацоўкі. Сталь патрабуе меншай хуткасці рэзання і вылучае больш цяпла падчас апрацоўкі, чым алюміній, што павялічвае час цыклу і спажыванне энергіі на адну дэталь.
• Павышаны знос інструмента. Цвёрдасць сталі паскарае знос рэжучага інструмента, асабліва ў больш цвёрдых марак, такіх як інструментальная сталь D2 або загартаваная нержавеючая сталь, што павялічвае выдаткі на інструменты на працягу вытворчага цыклу.

Нержавеючая сталь супраць вугляродзістай сталі

Гэтыя два сямействы сталі задавальняюць розныя патрэбы, і выбар паміж імі патрабуе яснасці адносна аперацыйнага асяроддзя і прыярытэтаў прадукцыйнасці.

Вугляродзістыя сталі забяспечваюць больш высокую трываласць пры меншай цане і лягчэй апрацоўваюцца, што робіць іх практычным выбарам для канструкцыйных і механічных кампанентаў у неагрэсіўных асяроддзях. Нержавеючыя сталі маюць больш высокую кошт, але забяспечваюць каразійную ўстойлівасць, з якой вугляродзістыя сталі проста не могуць параўнацца ў вільготных, хімічных або харчовых умовах. Выбар паміж імі рэдка абумоўлены толькі трываласцю. [6].

Тыповыя вобласці ўжывання

Спалучэнне трываласці, даўгавечнасці і ўніверсальнасці марак сталі дазваляе выкарыстоўваць яе ў шырокім дыяпазоне патрабавальных ужыванняў.

• Прамысловыя машыны. Валы, шасцярні, корпусы і канструкцыйныя рамы, дзе для ўстойлівых механічных нагрузак патрабуецца высокая мяжа цякучасці і супраціў стомленасці.
• Медыцынскія прыборы. Хірургічныя інструменты і кампаненты імплантатаў былі выраблены з нержавеючай сталі 316, што забяспечвае як неабходную трываласць, так і каразійную ўстойлівасць, неабходныя для цыклаў стэрылізацыі.
• Аўтамабільныя кампаненты. Дэталі трансмісіі, кранштэйны і канструкцыйныя ўзмацняльнікі, дзе суадносіны трываласці і кошту сталі робяць яе эканамічным выбарам для кампанентаў з высокай нагрузкай.
• Абсталяванне для харчовай прамысловасці. Канвееры, рэзервуары і апрацоўчыя паверхні, дзе нержавеючая сталь 304 або 316 устойлівая да вільгаці, хімічных чысцячых рэчываў і біялагічнага забруджвання.

Тытан: высокая прадукцыйнасць для экстрэмальных умоў

Тытан займае ўнікальнае становішча ў апрацоўцы на станках з ЧПУ. Ён не з'яўляецца стандартным выбарам для агульнай інжынерыі, і яго не выбіраюць з меркаванняў кошту. Ён выкарыстоўваецца, калі неабходна адначасова задаволіць патрабаванні высокай трываласці, нізкай вагі, каразійнай устойлівасці і тэрмічнай стабільнасці, і калі ніякі іншы матэрыял не можа задаволіць гэтае спалучэнне ў межах канструктыўных абмежаванняў. Гэтыя ўмовы часта ўзнікаюць у аэракасмічнай, медыцынскай і абароннай тэхніцы, таму тытан стаў стандартным матэрыялам у гэтых галінах прамысловасці, нягледзячы на ​​яго больш высокі кошт і складанасць апрацоўкі. [7].

Апрацоўка тытана з ЧПУ

Асноўныя ўласцівасці тытана

• Надзвычай высокае суадносіны трываласці да вагі. Тытан мае шчыльнасць прыблізна 4.5 г/см³, што знаходзіцца паміж алюмініем і сталлю, але яго мяжа цякучасці ў звычайных марках сплаваў перавышае мяжу цякучасці многіх сталей. Гэта спалучэнне дае яму адно з самых высокіх суадносін трываласці да вагі сярод усіх канструкцыйных металаў, даступных для апрацоўкі.
• Выдатная ўстойлівасць да карозіі. Тытан утварае стабільны, трывалы аксідны пласт, які забяспечвае выдатную ўстойлівасць да карозіі ў марской вадзе, акісляльных кіслотах і хларыдных асяроддзях, дзе можа разбурыцца нават нержавеючая сталь. Гэты пасіўны пласт хутка аднаўляецца пры пашкоджанні, забяспечваючы тытану надзейную доўгатэрміновую абарону ад карозіі без павярхоўных пакрыццяў. [8].
• Цеплаўстойлівасць. Тытанавыя сплавы захоўваюць значную трываласць пры падвышаных тэмпературах, прычым некаторыя маркі захоўваюць структурную цэласнасць да 600°C. Гэтая тэрмічная стабільнасць мае вырашальнае значэнне ў аэракасмічных рухавіках і прамысловых цеплаабменніках, дзе рабочыя тэмпературы цалкам дэградуюць алюміній.
• Біясумяшчальнасць. Тытан нетаксічны, не выклікае алергіі і добра інтэгруецца з касцяной тканкай чалавека, уласцівасць, вядомая як асеаінтэграцыя. Гэта робіць яго асноўным матэрыялам для пастаянных медыцынскіх імплантатаў, у тым ліку артапедычных прылад і зубных імплантатаў. [9].

Агульны клас апрацоўкі на станках з ЧПУ

Тытан маркі 5 (Ti-6Al-4V) з'яўляецца, безумоўна, найбольш шырока апрацоўваемым тытанавым сплавам, на яго долю прыпадае больш за палову ўсяго тытана, які выкарыстоўваецца ў розных галінах прамысловасці. Ён утрымлівае 6 працэнтаў алюмінію і 4 працэнты ванадыя, якія разам забяспечваюць трываласць на разрыў прыблізна 950 МПа ў адпаленым стане, захоўваючы пры гэтым каразійную стойкасць і біясумяшчальнасць, характэрныя для камерцыйна чыстага тытана. Гэта стандартная марка для аэракасмічных канструкцыйных кампанентаў, медыцынскіх імплантатаў і высокапрадукцыйных механічных дэталяў.

перавагі

• Трывалейшы за алюміній пры меншай вазе, чым за сталь. Ti-6Al-4V забяспечвае трываласць на расцяжэнне, якая перавышае звычайныя маркі сталі прыблізна на 60 працэнтаў ад шчыльнасці сталі, што робіць яго унікальным для прымянення, дзе адначасова абмежаваныя і вага, і трываласць.
• Добра працуе ў суровых умовах. Тытан мае каразійную ўстойлівасць у агрэсіўных хімічных і марскіх асяроддзях вышэйшую за алюміній і большасць марак нержавеючай сталі, што зніжае патрабаванні да тэхнічнага абслугоўвання і падаўжае тэрмін службы ў складаных умовах.
• Доўгатэрміновая трываласць. Тытанавыя кампаненты дэманструюць выдатную ўстойлівасць да стомленасці пры цыклічных нагрузках, што асабліва каштоўна ў аэракасмічнай і медыцынскай галінах, дзе паломка кампанентаў мае сур'ёзныя наступствы.

Недахопы

• Дарагая сыравіна. Тытанавыя руды адносна шмат, але працэс здабычы і перапрацоўкі, у першую чаргу працэс Крола, энергаёмісты і дарагі. Кошты на сыравіну для тытанавых сплаваў звычайна ў пяць-дзесяць разоў вышэйшыя, чым на эквівалентныя алюмініевыя сплавы, што абмяжоўвае іх выкарыстанне толькі ў тых выпадках, калі характарыстыкі апраўдваюць кошт.
• Цяжка апрацоўваць на станку. Тытан мае нізкую цеплаправоднасць, з-за чаго цяпло канцэнтруецца на рэжучай абзе, а не рассейваецца ў апрацоўваную дэталь або стружку. Ён таксама мае тэндэнцыю да дэфармацыйнага ўмацавання і пругкага вяртання ў зваротны стан падчас рэзання, што паскарае знос інструмента і ўскладняе дасягненне жорсткіх дапушчальных значэнняў. Хуткасць рэзання павінна падтрымлівацца нізкай, а нанясенне астуджальнай вадкасці павінна быць актыўным, каб справіцца з гэтымі наступствамі.
• Павольнейшыя тэмпы вытворчасці. Вышэйапісаныя абмежаванні ў апрацоўцы азначаюць, што выраб тытанавых дэталяў займае значна больш часу, чым эквівалентных алюмініевых або сталёвых. Гэта павялічвае кошт адной дэталі не толькі за кошт сыравіны, але і за кошт іншых матэрыялаў, і гэта неабходна ўлічваць пры планаванні вытворчасці.

Тыповыя вобласці ўжывання

Выключнае спалучэнне ўласцівасцей тытана апраўдвае яго кошт у тых выпадках, калі патрабаванні да прадукцыйнасці не падлягаюць абмеркаванню.

• Аэракасмічныя кампаненты. Канструкцыйныя дэталі планёра, мацаванні рухавікоў, лапаткі кампрэсара і крапежныя элементы, дзе тытан не можа замяніць суадносіны трываласці да вагі і тэрмаўстойлівасць.
• Медыцынскія імпланты. Артапедычныя імплантаты, прылады для фіксацыі хрыбетніка і зубныя імплантаты патрабуюць біясумяшчальнасці і доўгатэрміновай каразійнай устойлівасці ў арганізме, што з'яўляецца абавязковымі патрабаваннямі.
• Абарончае абсталяванне. Бранявыя пакрыцці, кампаненты ракет і ваенна-марское абсталяванне патрабуюць каразійнай устойлівасці ў марскім асяроддзі, а таксама высокіх паказчыкаў суадносін трываласці і вагі.
• Высокапрадукцыйныя аўтамабільныя дэталі. Шатуны, клапаны і кампаненты выхлапной сістэмы ў аўтаспорце і высокапрадукцыйных аўтамабілях, дзе зніжэнне вагі пры ўстойлівых высокіх тэмпературах забяспечвае вымернае паляпшэнне прадукцыйнасці.

Параўнанне матэрыялаў для дэталяў, апрацаваных на станках з ЧПУ

Выбар патрэбнага матэрыялу значна спрашчаецца, калі асноўныя ўласцівасці размешчаны побач. У табліцы ніжэй аб'яднаны ключавыя характарыстыкі і практычныя зменныя для матэрыялаў, якія разглядаюцца ў гэтым кіраўніцтве. Яна прызначана ў якасці хуткага даведніка для звужэння выбару кандыдатаў перад тым, як перайсці да падрабязнага інжынернага аналізу.

У прыведзенай вышэй табліцы адразу відаць некалькі практычных заканамернасцей.

Найлепшы матэрыял для лёгкіх канструкцый. Алюміній — відавочны выбар, калі галоўнай мэтай з'яўляецца мінімізацыя масы кампанента. Як 6061, так і 7075 забяспечваюць карысную структурную трываласць пры шчыльнасці прыкладна ў траціну ад шчыльнасці сталі. Для прымянення, дзе патрабаванні да трываласці перавышаюць тое, што можа забяспечыць алюміній, але вага ўсё яшчэ мае значэнне, тытан 5-й маркі прапануе пераканаўчы залатую сярэдзіну, хоць і па значна больш высокай цане. [10].

Найлепшы варыянт з пункту гледжання ўстойлівасці да карозіі. Тытан і нержавеючая сталь 316 лідзіруюць у гэтай катэгорыі. Пасіўны аксідны пласт тытана надзейна працуе ў багатых хларыдам і хімічна агрэсіўных асяроддзях, дзе нават нержавеючая сталь 316 можа з часам падвяргацца лакальнай карозіі. Аднак для большасці прамысловых і марскіх ужыванняў нержавеючая сталь 316 забяспечвае дастатковую абарону ад карозіі пры значна меншай кошту, чым тытан. [11].

Найбольш эканамічны матэрыял. Алюміній 6061 і нізкавугляродзістая сталь 1018 з'яўляюцца найбольш эканамічна выгаднымі варыянтамі як з пункту гледжання кошту сыравіны, так і кошту апрацоўкі. Больш высокая хуткасць апрацоўкі алюмінію дае яму перавагу ў кошце вырабу ў многіх выпадках, нават калі цэны на сыравіну супастаўныя. Пры масавай вытворчасці неагрэсіўных канструкцыйных дэталяў гэтыя два матэрыялы складаюць большасць кампанентаў, апрацаваных на станках з ЧПУ, якія вырабляюцца ва ўсім свеце. [9].

Найлепшы матэрыял для асяроддзяў з высокімі нагрузкамі. Інструментальная сталь D2 і тытан 5-й маркі лідзіруюць па абсалютнай трываласці і прадукцыйнасці ў складаных механічных і тэрмічных умовах. D2 з'яўляецца пераважным выбарам для інструментаў, якія падвяргаюцца зносу, у той час як тытан 5-й маркі выкарыстоўваецца там, дзе высокая трываласць павінна спалучацца з нізкай вагой і каразійнай устойлівасцю. Загартаваныя маркі сталі пакрываюць большасць прамысловых ужыванняў з высокімі нагрузкамі пры значна меншым кошце, чым тытан. [12].

Conclusion

Выбар матэрыялу для апрацоўкі на станках з ЧПУ, у рэшце рэшт, з'яўляецца інжынерным кампрамісам. Алюміній забяспечвае найлепшае спалучэнне апрацоўваемасці, эфектыўнасці вагі і кошту для большасці універсальных ужыванняў. Сталь пакрывае ўвесь спектр канструкцыйных і зносаўстойлівых патрэб у прамысловай, медыцынскай і аўтамабільнай сферах. Тытан вылучаецца там, дзе трываласць, нізкая вага і каразійная ўстойлівасць павінны суіснаваць у складаных умовах, і дзе прэміяльная цана апраўдана патрабаваннямі да эксплуатацыйных характарыстык, якім не можа задаволіць ні адзін іншы матэрыял.

Няма універсальнага найлепшага матэрыялу для апрацоўкі на станках з ЧПУ, толькі патрэбны матэрыял для зададзенага набору патрабаванняў. Рашэнне заўсёды павінна пачынацца з умоў эксплуатацыі і механічных патрабаванняў, а затым прасоўвацца ў зваротным кірунку праз апрацоўваемасць, патрабаванні да аздаблення, аб'ём вытворчасці і бюджэт. Камплектуючая, завышаная па спецыфікацыі, марнуе выдаткі; тая, што недастаткова спецыфікаваная, выходзіць з ладу. Паслядоўнае дасягненне гэтага балансу адрознівае надзейную інжынерную практыку ад здагадак.

Спасылкі

Эзугву, Э. і Ван, З. (1997). Тытанавыя сплавы і іх апрацоўваемасць — агляд. Часопіс тэхналогіі апрацоўкі матэрыялаў, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(96)00030-1 

Гецэ, Г. і Більгіч, С. (2010). Тэарэтычнае даследаванне некаторых гідраксамавых кіслот як інгібітараў карозіі вугляродзістай сталі. Навука аб карозіі, 52(10), 3304-3308. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.06.005 

Gogolewski, P., Klimke, J., Krell, A., & Beer, P. (2008). Інструменты з Al2O3 для эфектыўнай апрацоўкі драўняных матэрыялаў. Часопіс тэхналогіі апрацоўкі матэрыялаў, 209(5), 2231-2236. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.06.016 

Гансалес-Эрнандэс, А., Аперадор, У., Флорэс, М., Анафрэ-Бустамантэ, Э., Бермеа, Д.Э., Баўтыста-Гарсія, Р., і Гамбоа-Сота, Ф. (2022). Уплыў параметраў нанясення на структурныя і электрахімічныя ўласцівасці плёнак TI/TI2N, нанесеных метадам ВЧ-магнетроннага распылення. Металы, 12(8), 1237. https://doi.org/10.3390/met12081237 

Джавахір, І., Брынксмайер, Э., М'Саубі, Р., Аспінвол, Д., Аўтэйра, Дж., Меер, Д., Умбрэла, Д., і Джаял, А. (2011). Цэласнасць паверхні ў працэсах выдалення матэрыялу: апошнія дасягненні. Аналы CIRP, 60(2), 603-626. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2011.05.002 

Крычэн, А., Касем, А. і Хбаіб, М. (2010). Уплыў утрымання загатоўкі на працэс адбортоўкі адтулін у ліставым алюмініевым сплаве. Часопіс тэхналогіі апрацоўкі матэрыялаў, 211(4), 619-626. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.018 

Pek, YS, Wan, AC, & Ying, JY (2009). Уплыў калянасці матрыксу на дыферэнцыяцыю мезенхімальных ствалавых клетак у трохмерным тыксатропным гелі. Біяматэрыялы, 31(3), 385-391. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.09.057 

Ren, Y., Li, Y., Shen, J., Wu, S., Liu, L., & Zhou, G. (2023). Вызначэнне каразійнай устойлівасці нержавеючай сталі 316l з дапамогай нанааксіднай плёнкі, вырашчанай in situ. нанаматэрыялы, 13(3), 578. https://doi.org/10.3390/nano13030578 

Song, C., Dong, B., Zhang, S., Yang, H., Liu, L., Kang, J., Meng, J., Luo, C., Wang, C., Cao, K., Qiao, J., Shu, S., Zhu, M., Qiu, F., & Jiang, Q. (2024). Апошні прагрэс у распрацоўцы сплаваў Al-Mg: працэс фармавання і падрыхтоўкі, маніпуляцыі з мікраструктурай і прымяненне. Часопіс даследаванняў матэрыялаў і тэхналогіі, 31, 3255-3286. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.07.051 

Стандартныя метады выпрабаванняў на расцяжэнне металічных матэрыялаў. (й). https://www.astm.org/e0008_e0008m-22.html 

Тан, Ю. (2011). Разуменне ўплыву неаднароднасці электродаў і электрахімічнай неаднароднасці на ўзнікненне кропкавай карозіі на паверхнях голых электродаў. Навука аб карозіі, 53(5), 1845-1864. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2011.02.002 

Zhu, H., & Li, J. (2024). Дасягненні ў абароне ад карозіі алюмініевых сплаваў для аэракасмічнай прамысловасці з дапамогай апрацоўкі паверхні. Міжнародны часопіс электрахімічнай навукі, 19(2), 100487. https://doi.org/10.1016/j.ijoes.2024.100487