Выбор металла для ЧПУ-обработки: прочность, долговечность и стоимость

При проектировании деталей для ЧПУ-обработки часто приходится выбирать металлический материал. Необходимо учитывать требования к прочности, химическую стойкость, термическую стабильность, стоимость и др. Из-за множества вариантов выбор может быть сложным. Сначала определите ключевые характеристики детали: как она работает? В какой среде будет эксплуатироваться? Как взаимодействует с другими компонентами?

Поняв важные свойства детали, объедините их с шестью факторами, описанными в статье для выбора твердых или мягких металлов. Это поможет подобрать оптимальный материал.

Механические свойства металлов

Начнем с механических свойств, оцениваемых поведением материала под действием различных нагрузок.

Основные механические свойства для учета:

Твердость:

Твердые материалы лучше устои к царапинам и вмятинам, чем мягкие. Подходят для износоустойчивых деталей (бушники). Некоторые материалы можно обработать, а затем закалить. Закалка меняет свойства: может повысить ломкость. Поверхность также можно закалить покрытием.

На иллюстрации — сравнение твердости распространенных металлов.

Источник: https://www.metalcraftmachining.com/services/cnc-metal-materials.html

Плотность:

Плотность алюминия в ~3 раза ниже мягкой стали. В зависимости от марки алюминий может превосходить сталь по удельной прочности (отношению прочности к весу).

Предел прочности на разрыв:

Максимальное напряжение до разрушения. При проектировании кронштейна, соединяющего компоненты, учитывайте их взаимодействие. Предел прочности отражает способность материала противостоять разрыву.

Затухание (твердые металлы обычно имеют меньшую способность к затуханию).

Ломкость:

Высоколомкие материалы не деформируются перед разрывом. Если деталь должна многократно гнуться, ломкие материалы не подходят.

Если какие-либо из этих свойств критичны для проекта, рекомендуем изучить реальные рейтинговые значения для каждого материала.

Износоустойчивость и усталостные характеристики металлов

Для прототипов на посадку и функцию износоустойчивость обычно не критична. Но если нужна гарантия прочности или работа в экстремальных условиях (температуры и др.), выбор материала становится решающим. Разберем ключевые усталостные характеристики.

Усталостная прочность и вязкость:

Напряжение, которое материал выдерживает за заданное число циклов. Эти изменения детально изучены для подбора материалов под эксплуатационные требования. Металлическая усталость — постепенное локальное накопление необратимого повреждения под циклическими напряжениями/деформациями, приводящее к трещинам и внезапному разрушению. ~90% отказов металлов происходят внезапно и без предупреждения, поэтому усталостную прочность обычно оценивают по средним значениям. Если деталь переживает множественные циклы нагрузки, оцените уровень усталостной прочности.

Рабочая температура металлических деталей

Температура эксплуатационной среды — важный фактор. Точка плавления материала ЧПУ должна быть выше рабочей температуры, иначе структура детали изменится. Также материал должен выдерживать экстремальные температурные перепады. Некоторые материалы выдерживают циклы, но со временем могут менять структуру.

Существует много ресурсов для циклонических испытаний. Обычно материалы тестируют в контролируемой среде на высокие/низкие температуры, влажность, тепловые циклы и тепловые шоки.

• Высокотемпературные металлы: титан и нержавеющая сталь.
• Металлы для экстремального холода, сохраняющие вязкость: медь и алюминий.

Криповой устойчивость (creep resistance) — способность противостоять «крипу», т.е. склонности твердого тела к вязкому течению под длительным высоким напряжением. Крип может превышать стандартный предел прочности, так как развивается дольше. Никель, титан и нержавеющая сталь имеют наивысшую криповую устойчивость.

Коррозионная (окислительная) стойкость металлов

Коррозия — деградация или окисление металла вследствие химической реакции со средой. Причин много, но все металлы корродируют. Чистый железо корродирует быстро, нержавейка (Fe + сплавы) — очень медленно. При озабоченности коррозией нержавейка — отличный выбор.

Альтернатива — анодированный алюминий: снижает коррозию, дает долговечное покрытие. Никелированная мягкая сталь может быть дешевле нержавейки.

Тепловые свойства металлов

Металлы расширяются, плавят, проводят электричество. Наиболее распространенное тепловое свойство — теплопроводность (способность проводить тепло). Материалы с высокой теплопроводностью лучше отводят тепло. Для охлаждающих компонентов выбирайте материалы с высокой теплопроводностью.

Тепловые свойства распространенных металлов приведены в таблице для справки.

Источник: https://www.protolabs.com/resources/blog/hard-metals-vs-soft-metals-for-cnc-machining/

Технологичность обработки

Обрабатываемость — легкость изменения материала резанием. Алюминий легко обрабатывается и не изнашивает инструмент так быстро, как другие материалы. Поэтому стоимость обработки алюминия «дешевле» по сравнению с материалами с низкой обрабатываемостью.

Разные металлы имеют разные свойства, определяющие характеристики готового изделия. Эти характеристики нужно балансировать с затратами на сырье и обработку. Например, если деталь назначена из нержавейки, найдете несколько марок, сильно отличающихся по стоимости и свойствам. Некоторые нержавейки труднее резать, что повышает стоимость на ЧПУ-станках.