CNC apdirbtų detalių medžiagų pasirinkimo vadovas: aliuminio, plieno ir titano palyginimas

Tinkamos medžiagos pasirinkimas CNC apdirbamai detalei yra vienas svarbiausių gamybos proceso sprendimų. Dar prieš įrankio prisiliečiant prie ruošinio, medžiagos pasirinkimas jau nulemia detalės mechanines savybes, suderinamumą su apdirbimo procesu ir didelę dalį bendrų gamybos sąnaudų. Tinkamai pasirinkus, gausite komponentą, kuris patikimai veiks pagal specifikacijas visą numatytą tarnavimo laiką. Neteisingai pasirinkus, susidursite su įrankių gedimais, matmenų nestabilumu, priešlaikiniu detalės gedimu arba biudžeto viršijimu, kurį sunku atkurti.

Titanas, aliuminis ir plienas

Šiame vadove palyginamos trys plačiausiai CNC apdirbime naudojamos medžiagų kategorijos: aliuminis, plienas ir titanas. Kiekvienos iš jų atveju nagrinėjamos pagrindinės mechaninės savybės, dažniausiai naudojamos rūšys, apdirbamumo charakteristikos ir taikymo sritys, kuriose jos geriausiai veikia.

Kodėl medžiagų pasirinkimas svarbus CNC apdirbime

Medžiagos pasirinkimas CNC apdirbime nėra antraeilis dalykas. Jis yra kiekvieno vėlesnio inžinerinio ir gamybos sprendimo pagrindas. Medžiaga lemia, kaip agresyviai detalė gali būti apdirbama, kiek laiko tarnaus įrankiai, ar gatavas komponentas išlaikys savo matmenis esant terminiam ar mechaniniam įtempimui ir galiausiai, ar detalė atlaikys eksploatavimo aplinką. Medžiagos savybės tiesiogiai veikia pjovimo jėgas, paviršiaus vientisumą ir įrankio tarnavimo laiką, todėl ankstyvieji sprendimai dėl medžiagų yra labai svarbūs proceso efektyvumui. [1].

Pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką medžiagų pasirinkimui

Nė viena medžiaga neprilygsta kiekvienoje eksploatacinių savybių kategorijoje. Renkantis reikia įvertinti kelis konkuruojančius kintamuosius, atsižvelgiant į konkrečius taikymo reikalavimus.

• Mechaninis stiprumas. Medžiaga turi atlaikyti eksploatavimo metu susidarančias apkrovas be liekamosios deformacijos ar lūžio. Šių palyginimų pagrindą sudaro standartizuotų bandymų, pvz., ASTM E8 tempimo bandymų protokolų, takumo ribos ir tempiamojo stiprio duomenys. [2].
• Svorio reikalavimai. Aviacijos ir kosmoso, robotikos ir nešiojamosios elektronikos srityse masė yra tiesioginis našumo kintamasis. Sunkesnis komponentas, atitinkantis stiprumo reikalavimus, vis tiek gali būti netinkamas pasirinkimas, jei jis padidina nereikalingą apkrovą sistemai, sukurtai atsižvelgiant į svorio efektyvumą.
• Atsparumas korozijai ir karščiui. Drėgnoje, chemiškai agresyvioje arba aukštoje temperatūroje veikiančioms dalims reikalingos medžiagos, kurios išlaikytų savo savybes tokiomis sąlygomis. Komponentas, kuris gerai veikia kambario temperatūroje, gali greitai susidėvėti, jei renkantis medžiagas neatsižvelgiama į darbo aplinką.
• Apdorojamumas. Kai kurios medžiagos pjaunamos švariai ir greitai; kitos išskiria per didelį karštį, sukietėja po pjovimo įrankiu arba pagreitina įrankio nusidėvėjimą. Apdirbamumas tiesiogiai veikia ciklo laiką, įrankių kainą ir pasiekiamą paviršiaus apdailą. ASM International apdirbamumo įvertinimai yra standartizuotas atskaitos taškas šios kategorijos medžiagoms palyginti.
• Paviršiaus apdailos kokybė. Tam tikroms reikmėms, ypač medicinos prietaisams ir optiniams komponentams, reikalingi labai maži paviršiaus šiurkštumo rodikliai. Medžiagos reakcija į apdailos operacijas, įskaitant šlifavimą, poliravimą ir anodavimą, turi atitikti galutinės paskirties specifikacijas.
• Gamybos apimtis. Medžiaga, kuri yra ekonomiška mažų kiekių gamybai, gali tapti pernelyg brangi dideliais kiekiais, jei reikia dažnai keisti įrankius, mažinti padavimo greitį arba atlikti antrines apdailos operacijas. Ir atvirkščiai, sunkiau apdirbama medžiaga gali būti pateisinama mažų kiekių, bet didelės vertės komponentui gaminti.
• Biudžeto apribojimai. Žaliavų kaina yra tik viena lygties dalis. Apdirbimo laikas, įrankių sunaudojimas, atliekų kiekis ir papildomo apdorojimo išlaidos – visa tai prisideda prie bendrų vienos detalės kainų.

Kaip medžiagos veikia gamybą

Medžiagų pasirinkimo poveikis pasireiškia beveik kiekviename apdirbimo proceso etape.

• Įrankių susidėvėjimas ir apdirbimo laikas yra vienos iš tiesioginių pasekmių. Kietos, abrazyvinės medžiagos, tokios kaip įrankinis plienas ar titano lydiniai, žymiai pagreitina pjovimo įrankių susidėvėjimą, palyginti su aliuminiu ar inžineriniais plastikais. Apdirbant titano lydinius, dažnai reikia sumažinti pjovimo greitį 50–70 procentų, palyginti su aliuminiu, o tai tiesiogiai padidina ciklo laiką ir eksploatavimo sąnaudas. [3].
• Tikslumas ir matmenų stabilumas įtakos turi tai, kaip medžiaga reaguoja į pjovimo metu susidarančią šilumą. Medžiagos, turinčios didelius šiluminio plėtimosi koeficientus arba linkusios sumažinti įtempius apdirbimo metu, gali pakeisti matmenis, kai detalė palieka tvirtinimo elementą. Tai ypač aktualu griežto tolerancijos lygio komponentams, kur net kelių mikronų nuokrypiai yra nepriimtini.
• Dalių patvarumas ir priežiūros poreikiai lemia medžiagos atsparumas dilimui, nuovargiui ir aplinkos poveikiui per visą jos eksploatavimo laiką. Iš tinkamos medžiagos pagamintas komponentas reikalaus mažiau priežiūros, patirs mažiau gedimų eksploatacijos metu ir sumažins bendras eksploatavimo išlaidas.
• Bendros gamybos sąnaudos atspindi visų šių kintamųjų sumą. Medžiagos kaina, apdirbimo greitis, įrankio tarnavimo laikas, brokavimo kiekis ir apdailos reikalavimai kartu lemia, ar projektas yra ekonomiškai perspektyvus esant reikiamam gamybos kiekiui.

Aliuminis: lengvas ir lengvai apdirbamas

Aliuminis yra plačiausiai CNC apdirbime naudojamas metalas, ir ne be reikalo. Jis pasižymi mažu tankiu, geru mechaniniu stiprumu ir išskirtiniu apdirbamumu, su kuriuo nedaugelis kitų medžiagų gali prilygti už panašią kainą. Tais atvejais, kai prioritetai yra svorio efektyvumas ir gamybos greitis, aliuminis dažnai yra pirmoji vertinama medžiaga. Jo universalumas įvairiose pramonės šakose – nuo ​​aviacijos ir kosmoso iki plataus vartojimo elektronikos – atspindi, kaip gerai jo savybės atitinka įvairius inžinerinius reikalavimus.

CNC apdirbimo aliuminis

Pagrindinės aliuminio savybės

Aliuminio patrauklumas CNC apdirbime kyla iš kelių savybių, veikiančių kartu, o ne dėl vienos išskirtinės savybės.

• Lengvas svoris. Aliuminio tankis yra maždaug 2.7 g/cm³, maždaug trečdalis plieno tankio. Todėl jis yra pagrindinis pasirinkimas svoriui jautrioms sritims, kur reikia išlaikyti konstrukcijos našumą nepridedant nereikalingo svorio.
• Geras atsparumas korozijai. Aliuminis natūraliai suformuoja ploną oksido sluoksnį ant savo paviršiaus, kai yra veikiamas oro. Šis pasyvus sluoksnis suteikia reikšmingą apsaugą nuo atmosferos korozijos be jokio papildomo apdorojimo, nors anodavimas gali žymiai pagerinti šią apsaugą atšiauresnėje aplinkoje. [4]
• Puikus apdirbamumas. Aliuminis švariai pjauna dideliu greičiu, naudodamas santykinai mažas pjovimo jėgas. Apdirbimo metu jis išskiria mažiau šilumos nei plienas ar titanas, todėl sumažėja įrankių susidėvėjimas ir sutrumpėja ciklo laikas. Tai tiesiogiai reiškia mažesnes vienos detalės gamybos sąnaudas tiek gaminant mažus, tiek didelius kiekius.
• Geras šilumos ir elektros laidumas. Dėl šių savybių aliuminis tinka šilumos kriauklėms, elektros korpusams ir šilumos valdymo komponentams, kur šilumos išsklaidymas yra funkcinis reikalavimas.

Įprastos CNC apdirbimo rūšys

Ne visi aliuminio lydiniai yra vienodai gerai apdirbami ar eksploatuojami. Aliuminio rūšies pasirinkimas aliuminio šeimoje yra toks pat svarbus, kaip ir aliuminio pasirinkimas, palyginti su kita medžiaga.

• 6061 Aliuminis yra dažniausiai CNC apdirbimui naudojamas aliuminio lydinys. Jis pasižymi geru stiprumo, atsparumo korozijai ir apdirbamumo balansu, gerai reaguoja į anodavimą ir kitus paviršiaus apdorojimo būdus. Jo maždaug 276 MPa takumo riba T6 grūdinimo sąlygomis leidžia jį naudoti konstrukciniams laikikliams, rėmams ir korpusams gaminti įvairiose pramonės šakose.
• 7075 Aliuminis yra didesnio stiprumo lydinys, kurio takumo riba T6 grūdinimo sąlygomis siekia 503 MPa, todėl tai yra vienas tvirčiausių apdirbimui skirtų aliuminio lydinių. Jis naudojamas ten, kur stiprumo reikalavimai viršija tai, ką gali patikimai užtikrinti 6061, pavyzdžiui, orlaivių konstrukciniuose komponentuose ir didelio našumo sporto įrangoje. Kompromisas yra šiek tiek mažesnis atsparumas korozijai, palyginti su 6061, kuris paprastai valdomas apsauginėmis dangomis.

Privalumai

• Didesnis apdirbimo greitis. Aliuminį galima apdirbti du tris kartus didesniu pjovimo greičiu nei mažaanglį plieną, todėl ciklo laikas sutrumpėja ir ženkliai padidėja našumas.
• Mažesnės apdirbimo išlaidos. Didesnis greitis kartu su mažesniu įrankių nusidėvėjimu reiškia, kad aliuminio dalių gamyba kainuoja mažiau nei lygiaverčių dalių iš plieno ar titano.
• Geras stiprumo ir svorio santykis. Nors aliuminis absoliučiais skaičiais nėra toks stiprus kaip plienas, jo stiprumas, palyginti su svoriu, yra konkurencingas įvairioms konstrukcinėms reikmėms.
• Lengvas anodavimas ir apdaila. Aliuminis lengvai anoduojamas, dažomas milteliniu būdu ir apdorojamas cheminėmis plėvelėmis, todėl inžinieriai gali rinktis iš daugybės paviršiaus apdailos ir apsaugos nuo korozijos variantų.

Trūkumai

• Mažesnis atsparumas dilimui nei plienas. Aliuminio paviršiai greičiau dyla abrazyvinėmis arba didelės trinties sąlygomis, todėl be papildomo paviršiaus apdorojimo juos galima naudoti guolių paviršiuose ir didelio susidėvėjimo sąlyčio vietose.
• Gali deformuotis esant didelėms apkrovoms. Esant sunkiosios pramonės įtempiams, aliuminio mažesnis takumo stipris, palyginti su plienu, reiškia, kad jis gali deformuotis visam laikui, nors plienas išliktų elastingas.

Tipiškos Programos

Dėl aliuminio savybių profilio jis yra pageidaujamas pasirinkimas keliose reikliose pramonės šakose.

• Oro erdvės komponentai. Svorio mažinimas yra pagrindinis projektavimo tikslas – sumažinti sparnų šonkaulius, fiuzeliažo rėmus ir konstrukcinius laikiklius.
• Automobilių dalys. Kronšteinai, korpusai ir pakabos komponentai, kur sumažinta komponento masė pagerina degalų naudojimo efektyvumą ir valdymą.
• Elektronikos korpusai. Korpusai ir šilumos kriauklės, kur reikalingas ir šilumos laidumas, ir lengva konstrukcija.
• Robotų dalys. Buvo sumažintas konstrukcinių svirčių ir galinių efektorių komponentų skaičius, tiesiogiai pagerinant sistemos greitį ir energijos suvartojimą.

Plienas: didelis stiprumas ir ilgaamžiškumas

Plienas išlieka pramoninio CNC apdirbimo stuburu. Aliuminis suteikia svorio pranašumų, o plienas pasižymi tempiamuoju stiprumu, kietumu ir atsparumu dilimui, kurių reikalauja sunkiosios paskirties įrenginiai. Tai medžiaga, kurią reikia pasirinkti, kai komponentas turi atlaikyti dideles apkrovas, būti atsparus paviršiaus degradacijai arba patikimai veikti ilgą eksploatavimo ciklą esant mechaniniam įtempimui. Platus plieno rūšių asortimentas suteikia inžinieriams tikslią kontrolę renkantis stiprumą, tvirtumą, atsparumą korozijai ir apdirbamumą.

CNC apdirbimas iš nerūdijančio plieno

Pagrindinės plieno savybės

• Didelis atsparumas tempimui. Plieno lydiniai apima platų stiprumo diapazoną – nuo ​​​​mažaanglių plienų, kurių takumo riba yra apie 250 MPa, iki grūdintų įrankinių plienų, kurių takumo riba viršija 1,900 MPa. Šis diapazonas leidžia plieną pritaikyti itin plačiam konstrukcinių ir mechaninių pritaikymų spektrui. [5].
• Puikus patvarumas. Plieniniai komponentai išlaiko savo mechanines savybes esant nuolatiniam cikliniam apkrovimui, todėl jie puikiai tinka nuovargiui jautrioms sritims, tokioms kaip velenai, krumpliaračiai ir konstrukciniai tvirtinimo elementai.
• Geras atsparumas dilimui. Kietesni plieno markės yra daug geriau atsparios paviršiaus dilimui ir kontaktiniam dilimui nei aliuminis ar dauguma inžinerinių plastikų, o tai yra labai svarbu komponentams, kurie nuolat slysta arba liečiasi su smūgiais.
• Tinka didelėms apkrovoms. Dėl didelio takumo ribos ir gero tvirtumo plienas gali sugerti didelę energiją prieš sutrūkdamas, o tai labai svarbu saugai svarbiuose konstrukciniuose komponentuose.

Įprastos CNC apdirbimo rūšys

Plieno markės pasirinkimas daro didelę įtaką tiek apdirbimo elgsenai, tiek galutinės detalės našumui. Šios markės yra vienos iš dažniausiai nurodomų CNC apdirbime.

• Švelnus plienas 1018 yra mažai anglies turintis plienas, gerai apdirbamas ir suvirinamas. Dėl maždaug 370 MPa takumo ribos jis tinka bendrosios paskirties konstrukciniams komponentams, velenams ir tvirtinimo detalėms gaminti, kur nereikia ypatingo stiprumo. Jis švariai apdirbamas ir yra vienas ekonomiškesnių plieno variantų dideliems kiekiams gaminti.
• Nerūdijančio plieno 304 yra plačiausiai pasaulyje naudojama nerūdijančio plieno rūšis. Ji pasižymi geru atsparumu korozijai daugumoje atmosferos ir švelniai cheminių aplinkų, o tempiamasis stipris yra maždaug 515 MPa. Ji naudojama maisto perdirbimo, medicinos ir architektūros srityse, kur higiena ir atsparumas korozijai yra prioritetai.
• Nerūdijančio plieno 316 Į 304 sudėtį pridedama molibdeno, kuris žymiai pagerina atsparumą chloridų sukeltai korozijai. Dėl to ši rūšis yra pageidaujama jūrų, farmacijos ir chemijos perdirbimo aplinkoje, kur 304 nepriimtinai koroduotų. [6].
• Įrankinis plienas D2 yra didelio anglies ir chromo kiekio šaltojo apdirbimo įrankinis plienas, pasižymintis išskirtiniu kietumu ir atsparumu dilimui. Jis naudojamas pjovimo įrankiams, štampams ir perforatoriams gaminti, kur paviršiaus kietumas ir matmenų stabilumas esant apkrovoms yra labai svarbūs. Jo apdirbamumas yra gerokai mažesnis nei mažo anglies ar nerūdijančio plieno, todėl pailgėja gamybos laikas ir padidėja įrankių kaina.

Privalumai

• Stipresnis už aliuminį. Dėl didesnio plieno takumo ir tempiamojo stiprumo jis yra tinkamas pasirinkimas komponentams, kurie turi atlaikyti apkrovas, viršijančias patikimą aliuminio diapazoną.
• Puikus konstrukcinis našumas. Plienas išlaiko savo mechanines savybes plačiame temperatūrų diapazone, todėl yra patikimas tiek įprastoje, tiek vidutiniškai aukštoje temperatūroje.
• Ilgas tarnavimo laikas. Tinkamai parinkti ir pagaminti plieniniai komponentai yra atsparūs nuovargiui, dilimui ir deformacijai per ilgus eksploatavimo ciklus, todėl sumažėja keitimo dažnumas ir gyvavimo ciklo sąnaudos.

Trūkumai

• Sunkesnis už aliuminį. Plieno tankis, siekiantis maždaug 7.8 g/cm³, yra beveik tris kartus didesnis nei aliuminio. Svoriui jautriose srityse tai yra didelė našta, kurią turi pateisinti stiprumo reikalavimai.
• Ilgesnis apdirbimo laikas. Plienui reikia mažesnio pjovimo greičio ir jis apdirbimo metu išskiria daugiau šilumos nei aliuminis, todėl pailgėja ciklo laikas ir energijos sąnaudos vienai detalei.
• Didesnis įrankių susidėvėjimas. Plieno kietumas pagreitina pjovimo įrankių susidėvėjimą, ypač kietesnių rūšių, tokių kaip D2 įrankinis plienas arba grūdintas nerūdijantis plienas, atveju, o tai padidina įrankių sąnaudas gamybos metu.

Nerūdijantis plienas prieš anglies plieną

Šios dvi plieno šeimos tenkina skirtingus poreikius, todėl renkantis vieną iš jų reikia aiškiai suprasti veiklos aplinką ir našumo prioritetus.

Anglinis plienas pasižymi didesniu stiprumu, mažesne kaina ir yra lengviau apdirbamas, todėl tai praktiškas pasirinkimas konstrukciniams ir mechaniniams komponentams nekorozinėje aplinkoje. Nerūdijantis plienas yra brangesnis, tačiau pasižymi atsparumu korozijai, kuriam anglinis plienas tiesiog negali prilygti drėgnose, cheminėse ar su maistu besiliečiančiose srityse. Pasirinkimas tarp jų retai kada priklauso vien nuo stiprumo. [6].

Tipiškos Programos

Plieno tvirtumo, ilgaamžiškumo ir universalumo derinys leidžia jį naudoti įvairiose sudėtingose ​​srityse.

• Pramoninės mašinos. Velenai, krumpliaračiai, korpusai ir konstrukciniai rėmai, kur nuolatinės mechaninės apkrovos reikalauja didelio takumo ribos ir atsparumo nuovargiui.
• Medicininiai prietaisai. Chirurginiai instrumentai ir implantų komponentai buvo pagaminti iš 316 nerūdijančio plieno, kuris užtikrina reikiamą stiprumą ir atsparumą korozijai, reikalingą sterilizavimo ciklams.
• Automobilių komponentai. Pavarų dėžės dalys, laikikliai ir konstrukciniai armatūros elementai, kai plieno stiprumo ir kainos santykis yra ekonomiškas pasirinkimas didelės apkrovos komponentams.
• Maisto perdirbimo įranga. Konvejeriai, talpyklos ir apdorojimo paviršiai, kur 304 arba 316 nerūdijantis plienas yra atsparus drėgmei, valymo chemikalams ir biologinei taršai.

Titanas: didelis našumas ekstremalioms sąlygoms

Titanas užima unikalią vietą CNC apdirbimo srityje. Tai nėra standartinis pasirinkimas bendrosios inžinerijos reikmėms ir nėra pasirinktas dėl kainos. Jis naudojamas, kai reikia vienu metu užtikrinti didelį stiprumą, mažą svorį, atsparumą korozijai ir terminį stabilumą, ir kai jokia kita medžiaga negali atitikti šio derinio, atsižvelgiant į projektavimo apribojimus. Šios sąlygos dažnai kyla aviacijos ir kosmoso, medicinos ir gynybos inžinerijoje, todėl titanas tapo standartine medžiaga šiose pramonės šakose, nepaisant didesnės kainos ir apdirbimo sudėtingumo. [7].

Titano CNC apdirbimas

Pagrindinės titano savybės

• Ypač didelis stiprumo ir svorio santykis. Titano tankis yra maždaug 4.5 g/cm³, jis yra tarp aliuminio ir plieno, tačiau įprastų lydinių rūšių takumo riba viršija daugelio plienų takumo ribą. Dėl šio derinio titano stiprumo ir svorio santykis yra vienas didžiausių tarp visų apdirbimui skirtų konstrukcinių metalų.
• Puikus atsparumas korozijai. Titanas sudaro stabilų, prilimpantį oksido sluoksnį, kuris užtikrina išskirtinį atsparumą korozijai jūros vandenyje, oksiduojančiose rūgštyse ir chloridų aplinkoje, kur gali sugesti net nerūdijantis plienas. Šis pasyvus sluoksnis greitai atsinaujina pažeidus, suteikdamas titanui patikimą ilgalaikę apsaugą nuo korozijos be paviršiaus dangų. [8].
• Karščiui atsparus. Titano lydiniai išlaiko reikšmingą stiprumą aukštoje temperatūroje, o kai kurios rūšys išlaiko struktūrinį vientisumą iki 600 °C. Šis terminis stabilumas yra labai svarbus aviacijos ir kosmoso variklių bei pramoninių šilumokaičių srityse, kur darbinė temperatūra visiškai suardytų aliuminį.
• Biologinis suderinamumas. Titanas yra netoksiškas, nealergizuojantis ir gerai integruojasi su žmogaus kauliniu audiniu – ši savybė vadinama osteointegracija. Dėl šios priežasties jis yra dominuojanti medžiaga nuolatiniams medicininiams implantams, įskaitant ortopedinius prietaisus ir dantų implantus. [9].

Įprasta CNC apdirbimo klasė

Titanium Grade 5 (Ti-6Al-4V) yra bene plačiausiai apdirbamas titano lydinys, sudarantis daugiau nei pusę viso titano naudojimo įvairiose pramonės šakose. Jame yra 6 procentai aliuminio ir 4 procentai vanadžio, kurie kartu atkaitintoje būsenoje užtikrina maždaug 950 MPa tempiamąjį stiprumą, išlaikant komerciškai gryno titano atsparumą korozijai ir biologinį suderinamumą. Tai standartinė rūšis, naudojama aviacijos ir kosmoso konstrukciniams komponentams, medicininiams implantams ir didelio našumo mechaninėms dalims.

Privalumai

• Tvirtesnis už aliuminį, bet mažesnis svoris nei plienas. Ti-6Al-4V pasižymi maždaug 60 procentų plieno tankio viršijančiu tempiamuoju stipriu, todėl jis unikaliai tinka naudoti ten, kur vienu metu ribojamas ir svoris, ir stiprumas.
• Gerai veikia atšiauriomis sąlygomis. Titano atsparumas korozijai agresyvioje cheminėje ir jūrinėje aplinkoje yra ilgesnis nei aliuminio ir daugumos nerūdijančio plieno rūšių, todėl sumažėja priežiūros poreikis ir pailgėja tarnavimo laikas sudėtingomis sąlygomis.
• Ilgalaikis patvarumas. Titano komponentai pasižymi puikiu atsparumu nuovargiui ciklinio apkrovimo metu, o tai ypač vertinga aviacijos ir kosmoso bei medicinos srityse, kur komponentų gedimai turi rimtų pasekmių.

Trūkumai

• Brangi žaliava. Titano rūdos yra gana gausu, tačiau gavybos ir rafinavimo procesas, pirmiausia „Kroll“ procesas, yra daug energijos reikalaujantis ir brangus. Titano lydinių žaliavų kainos paprastai yra penkis–dešimt kartų didesnės nei lygiaverčių aliuminio lydinių, todėl jų naudojimas ribojamas tose srityse, kur našumas pateisina kainą.
• Sunku apdirbti mašinomis. Titanas pasižymi mažu šilumos laidumu, todėl šiluma koncentruojasi pjovimo briaunoje, o ne išsisklaido ruošinyje ar drožlėje. Pjovimo metu jis taip pat linkęs sukietėti deformacijos metu ir elastingai atšokti, o tai pagreitina įrankio nusidėvėjimą ir apsunkina griežtų tolerancijų pasiekimą. Pjovimo greitis turi būti mažas, o aušinimo skysčio naudojimas – agresyvus, kad būtų galima valdyti šį poveikį.
• Lėtesnis gamybos greitis. Aukščiau aprašyti apdirbimo apribojimai reiškia, kad titano detalių gamyba užtrunka gerokai ilgiau nei lygiaverčių aliuminio ar plieno detalių. Tai padidina detalės kainą ne tik dėl žaliavų kainos, bet ir dėl to, kad į tai reikia atsižvelgti planuojant gamybą.

Tipiškos Programos

Išskirtinis titano savybių derinys pateisina jo kainą tais atvejais, kai našumo reikalavimai yra nekeičiami.

• Oro erdvės komponentai. Konstrukcinės lėktuvo korpuso dalys, variklio laikikliai, kompresoriaus mentės ir tvirtinimo detalės, kurių stiprumo ir svorio santykis bei šiluminis atsparumas negali būti pakeisti titano.
• Medicininiai implantai. Ortopediniams implantams, stuburo fiksavimo įtaisams ir dantų implantams reikalingas biologinis suderinamumas ir ilgalaikis atsparumas korozijai organizme, o tai yra privalomi reikalavimai.
• Gynybos įranga. Šarvų dangai, raketų komponentams ir karinio jūrų laivyno įrangai reikalingas atsparumas korozijai jūrinėje aplinkoje, be to, reikalingas didelis stiprumo ir svorio santykis.
• Didelio našumo automobilių dalys. Švaistikliai, vožtuvai ir išmetimo sistemos dalys automobilių sporto ir didelio našumo transporto priemonėse, kur svorio sumažinimas esant ilgalaikei aukštai temperatūrai užtikrina išmatuojamą našumo padidėjimą.

CNC apdirbtų dalių medžiagų palyginimas

Tinkamos medžiagos pasirinkimas tampa gerokai paprastesnis, kai pagrindinės savybės pateikiamos greta. Žemiau esančioje lentelėje apibendrinti pagrindiniai šiame vadove aptartų medžiagų našumo ir praktiniai kintamieji. Ji skirta kaip greita nuoroda, padedanti susiaurinti kandidatų sąrašą prieš pradedant išsamią inžinerinę analizę.

Aukščiau pateiktoje lentelėje iš karto matyti keli praktiniai modeliai.

Geriausia medžiaga lengviems dizainams. Aliuminis yra aiškus pasirinkimas, kai pagrindinis tikslas yra sumažinti komponento masę. Tiek 6061, tiek 7075 pasižymi naudingu konstrukciniu stiprumu, kurio tankis yra maždaug trečdalis plieno tankio. Tais atvejais, kai stiprumo reikalavimai viršija aliuminio galimybes, bet svoris vis tiek svarbus, 5 klasės titanas siūlo įtikinamą kompromisą, nors ir gerokai didesnę kainą. [10].

Geriausias pasirinkimas apsaugant nuo korozijos. Šioje kategorijoje pirmauja titanas ir 316 nerūdijantis plienas. Titano pasyvusis oksido sluoksnis patikimai veikia chloridų gausioje ir chemiškai agresyvioje aplinkoje, kur net 316 nerūdijantis plienas laikui bėgant gali patirti lokalią koroziją. Tačiau daugumai pramoninių ir jūrinių pritaikymų 316 nerūdijantis plienas užtikrina pakankamą apsaugą nuo korozijos už nedidelę titano kainos dalį. [11].

Ekonomiškiausia medžiaga. Aliuminis 6061 ir minkštas plienas 1018 yra ekonomiškiausi variantai tiek žaliavų kainos, tiek apdirbimo sąnaudų atžvilgiu. Didesnis aliuminio apdirbimo greitis suteikia jam detalės kainos pranašumą daugeliu atvejų, net kai žaliavų kainos yra panašios. Didelės apimties nerūdijančių konstrukcinių dalių gamyboje šios dvi medžiagos sudaro didžiąją dalį visame pasaulyje pagamintų CNC apdirbamų komponentų. [9].

Geriausia medžiaga darbui su didelio streso sąlygomis. Įrankinis plienas D2 ir titanas 5 klasės pirmauja absoliučiu stiprumu ir eksploatacinėmis savybėmis esant sudėtingoms mechaninėms ir terminėms sąlygoms. D2 yra pageidaujamas pasirinkimas dilimui atsparioms įrankių apdirbimo reikmėms, o titanas 5 klasės naudojamas ten, kur didelis stiprumas turi būti derinamas su mažu svoriu ir atsparumu korozijai. Grūdinto plieno rūšys apima daugumą pramoninių pritaikymų, kuriems reikia didelio įtempio, ir yra gerokai pigesnės nei titano. [12].

Išvada

Medžiagų pasirinkimas CNC apdirbime galiausiai yra inžinerinis kompromisas. Aliuminis daugeliui bendrosios paskirties pritaikymų pasižymi geriausiu apdirbamumo, svorio efektyvumo ir kainos deriniu. Plienas apima visą konstrukcinių ir dilimui svarbių poreikių spektrą pramonės, medicinos ir automobilių pramonėje. Titanas išsiskiria tose srityse, kur tvirtumas, mažas svoris ir atsparumas korozijai turi egzistuoti sudėtingomis sąlygomis ir kur kainos priemoka pateisinama eksploataciniais reikalavimais, kurių negali atitikti jokia kita medžiaga.

CNC apdirbime nėra universalios geriausios medžiagos, yra tik tinkama medžiaga, atitinkanti konkrečius reikalavimus. Sprendimą visada reikėtų pradėti nuo darbo aplinkos ir mechaninių reikalavimų, o tada grįžti atgal per apdirbamumo, apdailos reikalavimų, gamybos apimties ir biudžeto kriterijus. Pernelyg specifiškas komponentas švaisto išlaidas; nepakankamai specifiškas komponentas sugenda eksploatacijos metu. Nuolatinis teisingas balansas skiria patikimą inžinerinę praktiką nuo spėlionių.

Nuorodos

Ezugwu, E. ir Wang, Z. (1997). Titano lydiniai ir jų apdirbamumas – apžvalga. Medžiagų apdorojimo technologijos žurnalas, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/s0924-0136(96)00030-1 

Gece, G., ir Bilgiç, S. (2010). Teorinis kai kurių hidroksamo rūgščių, kaip anglinio plieno korozijos inhibitorių, tyrimas. Korozijos mokslas, 52(10), 3304-3308. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.06.005 

Gogolewski, P., Klimke, J., Krell, A. ir Beer, P. (2008). Al2O3 įrankiai, skirti efektyviai apdirbti medienos medžiagas. Medžiagų apdorojimo technologijos žurnalas, 209(5), 2231-2236. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.06.016 

González-Hernández, A., Aperador, W., Flores, M., Onofre-Bustamante, E., Bermea, JE, Bautista-García, R. ir Gamboa-Soto, F. (2022). Nusodinimo parametrų įtaka TI/TI2N plėvelių struktūrinėms ir elektrocheminėms savybėms, nusodinamoms RF-Magnetron Sputtering būdu. Metalai, 12(8), 1237. https://doi.org/10.3390/met12081237 

Jawahir, I., Brinksmeier, E., M'Saoubi, R., Aspinwall, D., Outeiro, J., Meyer, D., Umbrello, D. ir Jayal, A. (2011). Paviršiaus vientisumas medžiagų šalinimo procesuose: Naujausi pasiekimai. CIRP analai, 60(2), 603-626. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2011.05.002 

Krichen, A., Kacem, A. ir Hbaieb, M. (2010). Ruošinio laikymo poveikis lakštinio aliuminio lydinio skylių briaunų formavimo procesui. Medžiagų apdorojimo technologijos žurnalas, 211(4), 619-626. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.018 

Pek, YS, Wan, AC ir Ying, JY (2009). Matricos standumo įtaka mezenchiminių kamieninių ląstelių diferenciacijai 3D tiksotropiniame gelyje. Biomedžiagos, 31(3), 385-391. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.09.057 

Ren, Y., Li, Y., Shen, J., Wu, S., Liu, L. ir Zhou, G. (2023). 316 l nerūdijančio plieno atsparumo korozijai tyrimas naudojant vietoje užaugintą nano oksido plėvelę. nanomedžiagos, 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. ir Jiang, Q. (2024). Naujausia Al-Mg lydinių pažanga: formavimo ir paruošimo procesas, mikrostruktūros manipuliavimas ir taikymas. Medžiagų tyrimų ir technologijų žurnalas, 31, 3255-3286. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.07.051 

Standartiniai metalinių medžiagų tempimo bandymo metodai. (nd). https://www.astm.org/e0008_e0008m-22.html 

Tan, Y. (2011). Elektrodų nehomogeniškumo ir elektrocheminio heterogeniškumo poveikio taškinės korozijos pradžiai ant plikų elektrodų paviršių supratimas. Korozijos mokslas, 53(5), 1845-1864. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2011.02.002 

Zhu, H., ir Li, J. (2024). Pažanga kosmoso aliuminio lydinių apsaugos nuo korozijos srityje taikant paviršiaus apdorojimą. International Journal of Electrochemical Science, 19(2), 100487. https://doi.org/10.1016/j.ijoes.2024.100487