Обработка нержавеющей стали на станках с ЧПУ | Обрабатываемость, марки стали, решения

Нержавеющая сталь популярна в машиностроении благодаря своей высокой прочности, ударной вязкости и исключительной устойчивости к высоким температурам и коррозии. Однако именно физические и механические свойства, делающие её востребованной, также создают значительные проблемы в процессе производства. С точки зрения механической обработки, нержавеющая сталь часто считается сложным материалом из-за её сильной склонности к упрочнению при обработке, высоких сил резания и низкой теплопроводности.

Обзор обрабатываемости

Обрабатываемость относится к легкости, с которой металлический материал может быть подвергнут процессам резания. После установления нормальных параметров резания обрабатываемость металла оценивается на основе шероховатости поверхности заготовки, скорости резания и степени износа инструмента.

Обрабатываемость — это сложное явление, связанное с поверхностным слоем, включающее трение и высокоскоростную упругую и пластическую деформацию. Поэтому легкость резки и качество результата зависят от многих факторов:

1. Материал и геометрия инструмента.
2. Характеристики резки обрабатываемого материала.
3. Наличие и характеристики смазочно-охлаждающих жидкостей в процессе обработки.
4. Тип и условия резки.

При прочих равных условиях наиболее легко обрабатываемым металлом должен быть тот, который обеспечивает максимальную скорость резания, минимальный износ инструмента и наименьшее энергопотребление при получении наиболее удовлетворительной шероховатости поверхности. В большинстве случаев основными требованиями к резанию являются высокая скорость и длительный срок службы инструмента; однако в некоторых ситуациях требования к гладкости поверхности более строгие.

Методы определения обрабатываемости

1. Сравнение срока службы одного и того же инструмента при резке различных металлов с заданной скоростью резания.
2. Сравнивается глубина сверления различных металлов при одинаковом давлении, скорости вращения и времени.
3. Сравнение обрабатываемости по количеству потребляемой энергии или выделяемого тепла при резке определенного объема различных металлов.

Эти методы не учитывают шероховатость поверхности обрабатываемой детали; они используют только легкость резки для сравнительного анализа обрабатываемости металлов.

Обрабатываемость металлов — это очень сложное технологическое свойство, связанное с другими свойствами металла. Прежде всего, следует понять причины, по которым металлы трудно резать:

1. При слишком высокой твердости или прочности энергия, затрачиваемая на резку, велика; при увеличении скорости выделяемое тепло может легко размягчить кромку инструмента, что значительно затрудняет резку.
2. Мягкие металлы с высокой пластичностью склонны к образованию наростов на режущей кромке и прилипанию к ней во время резки, что затрудняет резку и увеличивает шероховатость поверхности.
3. Металлы, склонные к упрочнению при деформации, трудно поддаются обработке, например, высокоуглеродистые, высокомарганцевые, износостойкие стали и аустенитные нержавеющие стали. Металлы, содержащие твердые вторичные фазы, также трудно поддаются обработке, например, карбиды и оксиды, которые легко изнашивают режущую кромку инструмента.

Во-вторых, необходимо знать, какая структура облегчает резку металла. Вторичные фазы, нерастворимые в матрице, если они обладают смазывающими свойствами или повышают хрупкость материала, могут улучшить обрабатываемость. Например, графит, свинец и висмут могут усиливать смазывающий эффект при резке; хрупкие сульфиды и фосфиды (такие как MnS и Fe3P в стали) могут способствовать более легкому разрушению стружки.

Способы улучшения обрабатываемости

1. Смягчить твердые металлы (закал или отжиг).
2. Упрочнение слишком мягких металлов (холодная обработка, измельчение зерна, нормализация).
3. Уменьшить количество твердых вторичных фаз (улучшить качество плавки, уменьшить количество включений).
4. Улучшить распределение жестких вторичных фаз (отжиг или нормализующий).
5. Добавьте элементы второй фазы, улучшающие режущие свойства (Pb, Bi, графит, MnS, Fe3P и др.).

Окончательный метод (5) позволяет получать сплавы с превосходной обрабатываемостью, пригодные для автоматических станков, которые поэтому называются легкорежущими сталями и сплавами.

Некоторые физические и механические свойства, влияющие на обрабатываемость, не зависят от микроструктуры и, следовательно, их трудно изменить путем улучшения структуры. К таким свойствам относятся коэффициент теплового расширения, теплопроводность и модуль упругости матричного металла.

Обзор методов резки нержавеющей стали

Различные типы нержавеющей стали имеют разные обрабатывающие характеристики, и эти различия существенны. В целом, обрабатываемость нержавеющей стали хуже, чем у других сталей. Например, по сравнению с углеродистой сталью, аустенитная нержавеющая сталь имеет наихудшую обрабатываемость. Это вызвано сильным упрочнением при обработке и низкой теплопроводностью аустенитной нержавеющей стали. По этой причине в процессе резания необходимо использовать охлаждающие жидкости на водной основе для уменьшения термической деформации. Особенно при некачественной термообработке после сварки деформация неизбежна, независимо от того, насколько улучшена точность резания. Обрабатываемость других типов нержавеющей стали, таких как мартенситная и ферритная нержавеющая сталь, не сильно отличается от углеродистой стали, если их не резать после закалки. Однако как для мартенситных, так и для ферритных типов, чем выше содержание углерода, тем хуже обрабатываемость. Нержавеющие стали с дисперсионным упрочнением демонстрируют различные обрабатывающие характеристики из-за различий в структуре и методах обработки, но в целом, в отожженном состоянии их обрабатываемость практически такая же, как у мартенситных и аустенитных нержавеющих сталей той же серии и прочности.

Нержавеющие стали широко используются благодаря своей особой термостойкости и коррозионной стойкости, а также высокой прочности и ударной вязкости. Во многих областях применения способность одного металла резать другой определяется его обрабатываемостью. Все нержавеющие стали, как и все марки нержавеющей стали, поддаются механической обработке. Обрабатываемость нержавеющей стали, как и ее физические и механические свойства, сильно варьируется.

Как правило, под нержавеющей сталью подразумеваются сплавы на основе железа с содержанием хрома более 11.5%. Для достижения требуемой коррозионной стойкости и/или механических свойств могут добавляться такие элементы, как углерод, никель, марганец, кремний, алюминий, титан, ниобий и другие легирующие элементы.

Типы нержавеющей стали в зависимости от обрабатываемости.

Классификация на основе микроструктуры и условий термообработки является наиболее распространенным методом. Это делит все нержавеющие стали на три категории: закаливаемые (мартенситные), незакаливаемые (ферритные) и аустенитные. Каждая категория включает в себя некоторые марки, пригодные для легкой резки.

Закаливаемая нержавеющая сталь

В эту группу входят стали 400-й серии, которые можно закаливать с помощью термическая обработкаК легкообрабатываемым маркам относятся нержавеющая сталь 416, 420F и 440F. К маркам с общей обрабатываемостью относятся 403, 410, 420, 431, 440A, 440B и 440C. Все это мартенситные стали, магнитные в отожженном состоянии, и они могут достигать различных уровней прочности за счет закалки и отпуска. Самой легкой в ​​обработке является сталь 416, а самой сложной — 440C, поскольку высокое содержание углерода вызывает сильный износ инструмента.

Незакаливаемая нержавеющая сталь

В эту группу входят стали серии 400, которые не могут быть значительно упрочнены термической обработкой. В отожженном состоянии они ферритные и магнитные. К легкообрабатываемым маркам относится 430F; к маркам с общей обрабатываемостью относятся 405, 430 и 446.

Аустенитная нержавеющая сталь

Это стали серии Cr-Ni 300, недавно расширенная линейка которой теперь включает некоторые стали серии Cr-Ni-Mn 200. В отожженном состоянии они аустенитны, практически немагнитны и не могут быть упрочнены термической обработкой. Однако большинство из них обладают высокой скоростью упрочнения — значительно выше, чем у ферритных и мартенситных сталей. К легкообрабатываемым маркам относятся 303 и 303Se. Стандартные марки включают 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347 и т. д. Аустенитные стали гораздо сложнее обрабатывать, чем большинство мартенситных или ферритных сталей. В отожженном состоянии они липкие и образуют волокнистую стружку, если не используются специальные методы обработки. Высокая скорость упрочнения при обработке также способствует затруднениям при резке.

Свойства нержавеющей стали, обработанной на станках с ЧПУ.

Обрабатываемость нержавеющей стали значительно хуже, чем у среднеуглеродистой стали. Если для стали 1045 это 100%, то для аустенитной стали 321 — 40%, для ферритной 10Cr28 — 48%, а для мартенситной 420 — 55%. Наихудшие характеристики имеют аустенитные и аустенитно-ферритные марки. Характеристики включают:

Тяжелая закалка

Наиболее выражено в аустенитных и аустенитно-ферритных сталях. Прочность после закалки может достигать 1470–1960 МПа. Предел текучести возрастает с 30–45% в отожженном состоянии до 85–95% после закалки. Глубина закаленного слоя может составлять 1/3 глубины резания или более, при этом твердость в 1.4–2.2 раза выше исходной. Это обусловлено высокой пластичностью, искажением кристаллической решетки и превращением аустенита в мартенсит под напряжением.

Большие силы резания

Высокая пластичность, особенно в аустените, с удлинением в 1.5 раза превышающим удлинение стали 1045, увеличивает усилие. Упрочнение при деформации и высокая термическая прочность дополнительно повышают сопротивление и затрудняют измельчение стружки. Удельное усилие резания для стали 06Cr18Ni11Ti составляет 2450 МПа, что на 25% выше, чем у стали 1045.

Высокая температура резки

Значительная пластическая деформация и трение генерируют большое количество тепла. В сочетании с низкой теплопроводностью (в 4–2 раза ниже, чем у стали 1045) тепло концентрируется в зоне резания. При тех же условиях температура стали 321 примерно на 200 °C выше, чем у стали 1045.

Сложные для разбивания чипсы

Высокая пластичность и прочность приводят к образованию сплошной стружки, которая может царапать поверхность. Высокое сродство к другим металлам вызывает прилипание и образование наростов на режущей кромке, что усугубляет износ инструмента и разрыв поверхности.

Износ инструмента

Сродство вызывает адгезионный и диффузионный износ, приводящий к образованию кратеров на поверхности инструмента и микросколам. Твердые частицы карбида в стали также вызывают абразивный износ.

Большой коэффициент линейного расширения

Примерно в 1.5 раза выше, чем у углеродистой стали. При подрезке заготовки деформируются под воздействием тепла, что затрудняет контроль точности размеров.

Среди различного обрабатывающего оборудования автоматические токарные станки отличаются высокой эффективностью при обработке прутков из нержавеющей стали, позволяя изготавливать бесчисленное количество деталей.

Особенности обработки нержавеющей стали:

1. Инструменты должны быть прочными, современными и обладать высокой перегрузочной способностью. Оптимальная нагрузка составляет менее 75% от номинальной мощности станка.
2. Заготовки и инструменты должны быть надежно зафиксированы. Выступ инструмента должен быть как можно короче; при необходимости используйте дополнительную опору.
3. Инструменты всегда должны быть острыми (из быстрорежущей стали или твердосплавных материалов). Регулярно затачивайте их; не ждите, пока это станет необходимо.
4. Используйте высокоэффективные смазочные материалы, такие как хлорированная нефтяная смазка. Это эффективно при интенсивной резке на низких скоростях подачи. Для высокоскоростной чистовой обработки разбавьте смазку керосином, чтобы поддерживать низкую температуру.
5. Обратите внимание на аустенитные стали хромоникелевого сплава. Используйте принудительную резку и избегайте пауз, чтобы предотвратить упрочнение и проскальзывание.

По сравнению с углеродистой сталью:

1. Прочность отожженной нержавеющей стали, как правило, выше.
2. Разница между пределом текучести и пределом прочности больше.
3. Темпы повышения трудоспособности выше.
4. Высокоуглеродистые марки (440A/B/C) содержат свободные легирующие карбиды, которые упрочняют матрицу и обладают абразивными свойствами, увеличивая износ.

Процессы обработки нержавеющей стали с ЧПУ

Технологические процессы обработки нержавеющей стали включают токарную обработку на станках с ЧПУ, фрезерование, шлифование, сверление и т.д.

Токарная обработка с ЧПУ

Обычно считается, что инструмент предназначен для одноточечной резки. Инструмент должен иметь положительный передний угол. Для мартенситных сплавов (420, 440) требуется отрицательный передний угол для уменьшения износа. Аустенитные сплавы (200/300) склонны к упрочнению при обработке; необходимо поддерживать принудительную подачу и не останавливаться резко. Используйте мощные токарные станки с хорошей жесткостью конструкции. На револьверных токарных станках рекомендуется использовать инструменты с твердосплавными наконечниками.

• Черновая подача: 0.229–0.406 мм.
• Подача при чистовой обработке: 0.076–0.254 мм.
• Скорость (для хромированных изделий): 61–152 м/мин.
• Скорость (для хромоникелевых сплавов): 61–122 м/мин.
• Используйте концентрированные смеси растворимых масел.

Фрезерные

Высокая адгезия и склонность к слиянию приводят к тому, что стружка прилипает к зубьям фрезы. При фрезеровании вверх зубья скользят по затвердевшим поверхностям, усиливая затвердевание. Вибрации и удары высоки.

• Инструменты: Используйте быстрорежущую сталь (W-Mo или с высоким содержанием ванадия) или карбид (YG8, YW2, 813, 798 и т. д.).
• Геометрия: Используйте большие углы спирали (20°–45°). При этом для концевых фрез лучше использовать угол β 35, чтобы избежать ослабления зубьев.
• Метод: Используйте попутное фрезерование (фрезерование вниз), чтобы обеспечить плавный выход зубьев из металла и отвод стружки центробежной силой.
• Охлаждение: Наиболее эффективным является распылительное охлаждение; в противном случае обеспечьте полный поток 10%-ной эмульсии.
• Скорость: Начальная скорость составляет примерно 24 м/мин для твердосплавных материалов и 9 м/мин для быстрорежущей стали.

Шлифование с чпу

Высокая ударная вязкость и термостойкость означают, что зерна с отрицательным углом наклона с трудом срезают стружку. Энергия высока, температура достигает 1000–1500°C, и стружка забивает шлифовальный круг. Низкая теплопроводность может вызвать поверхностные пригорания или отжиг (глубина 0.01–0.02 мм). Расширение приводит к деформации, особенно в тонкостенных деталях. Большинство нержавеющих сталей немагнитны, что требует механического зажима, который может вызывать вибрацию или деформацию. Избегайте неравномерной шлифовки или локального перегрева.

Сверление с ЧПУ

Обычно используют спиральные сверла. Для закаленной стали используют твердосплавные или сверхтвердые быстрорежущие стали. Крутящий момент высок, стружка прилипает и затвердевает. Для уменьшения осевой нагрузки шлифуют канавки для удаления стружки и истончают перемычку.

• Затвердевание/прокалывание: Посыпьте край или отверстие порошком мела, чтобы облегчить начало резки.
• Сверлильные приспособления: Используйте короткие втулки; поддерживайте зазор в один диаметр сверла для отвода стружки.
• Скорость: 12–38 м/мин в зависимости от уклона и глубины.
• Подача: 0.051–0.508 мм/об. Минимизируйте паузы, чтобы уменьшить затвердевание.

Нарезание резьбы с ЧПУ

Стальные марки стали, обеспечивающие свободное резание, аналогичны углеродистой стали. Угол заточки 15° предпочтительнее. Для глубоких отверстий используйте метчики с тонкой канавкой, чтобы снизить давление. Используйте метчики из быстрорежущей стали с прецизионно заточенной резьбой и полированными канавками. Метчики со спиральными канавками лучше для контроля стружки. Убедитесь, что глубина резьбы не превышает 75% (часто лучше 65%), чтобы предотвратить поломку. Для высокой точности сверлите отверстия немного меньшего диаметра (на 0.152–0.305 мм меньше), а затем развертывайте перед нарезанием резьбы. Избегайте ручной заточки метчиков.

• Скорость: 3–11 м/мин.
• Смазка: масла на основе серы для грубой резьбы; разбавленные керосином для тонкой резьбы; порошок белого свинца для нарезания тяжелых резьб.

Очистка и пассивация после механической обработки

Для обеспечения коррозионной стойкости удалите всю грязь и пятна. Чистая поверхность позволяет образоваться пассивной пленке.

Обезжиривание: должно быть полным и тщательным, чтобы удалить все смазочные материалы и масла.

Ванна с азотной кислотой: обычно 20%-ная концентрация при 49°C в течение не менее 30 минут. Она растворяет частицы железа и очищает места коррозии.

Регулировка: Для серий 300 или 400 с высоким содержанием хрома используется концентрация 20–40% при температуре 54–71°C в течение 30–60 минут. Для серий 400 с низким содержанием хрома используются более низкие температуры. Промыть горячей водой и немедленно высушить.

Обработка поверхности нержавеющей стали на станках с ЧПУ

Вопреки распространенному мнению, нержавеющая сталь не полностью защищена от ржавчины, она просто относительно устойчива к ней. Очень тонкая, богатая хромом оксидная пленка на поверхности обеспечивает защитный барьер. Однако этот слой может быть поврежден факторами окружающей среды и механической обработкой, такими как царапины на поверхности, неправильная очистка, загрязнение углеродистой сталью или сварка. Эти виды загрязнения поверхности могут значительно повредить защитный слой.

Поэтому при изготовлении изделий из нержавеющей стали необходимо принимать эффективные меры. Лучший способ предотвратить коррозию — это надлежащая обработка поверхности. К распространенным процессам относятся шлифовка, зеркальная полировка, пескоструйная обработка и нанесение покрытий, защищающих от отпечатков пальцев, каждый из которых обеспечивает уникальные эстетические эффекты и функциональные преимущества.

Зеркальная полировка

Зеркальная полировка по сути представляет собой шлифовку поверхности нержавеющей стали с использованием физических или химических методов. Полировка может применяться ко всей поверхности или к отдельным участкам. Степень зеркальной полировки подразделяется на стандартную полировку, 6K (стандартное зеркальное покрытие), 8K (тонкая шлифовка) и 10K (сверхтонкая шлифовка). Зеркальная полировка обеспечивает высококлассный, минималистичный, модный и футуристический внешний вид.

Пескоструйная обработка

Это распространенный процесс обработки поверхности при механической обработке нержавеющей стали. Он использует сжатый воздух в качестве источника энергии для подачи абразивных материалов с высокой скоростью на поверхность заготовки, что приводит к изменению текстуры поверхности. Пескоструйная Этот метод в основном используется для инженерной оптимизации и улучшения технологических процессов, например, для повышения адгезии склеиваемых деталей, удаления заусенцев с обработанных поверхностей, обеззараживания и получения матовой поверхности. Он значительно превосходит ручную шлифовку, обеспечивая однородную структуру поверхности, низкопрофильный, долговечный внешний вид и высокую эффективность производства. Хотя ручная шлифовка может создавать шероховатую поверхность, она слишком медленная, а химическая очистка часто делает поверхность слишком гладкой для оптимальной адгезии покрытия.

Химическая обработка

Этот процесс включает в себя сочетание химических и электрохимических методов для образования стабильного слоя соединения на поверхности нержавеющей стали. гальванопокрытие Это яркий пример химической обработки. Этот метод в основном основан на использовании отдельных или смешанных кислых растворов и анодных растворов для удаления накипи. Впоследствии защитные пленки образуются путем обработки хроматом, фосфатом или черный оксидЭтот процесс в основном используется для создания сложных узоров или для удовлетворения специфических требований к винтажному или современному дизайну.

Окраска

Процессы окрашивания поверхности позволяют придать нержавеющей стали различные цвета, делая металл более ярким. Помимо визуальной привлекательности, окрашивание эффективно повышает износостойкость и коррозионную стойкость изделия. К распространенным методам окрашивания относятся химическое окрашивание, электрохимическое оксидирование, ионно-осаждение, высокотемпературное оксидирование и пиролиз в газовой фазе.

Чистка

Металлическая шлифовка — очень распространенный метод декоративной обработки. Она позволяет создавать различные узоры, включая прямые линии, резьбовые узоры, волнистые узоры, случайные узоры и вращающиеся узоры. Шлифованные поверхности отличаются приятными тактильными ощущениями, нежным блеском и высокой износостойкостью. Эта обработка широко применяется в электронных устройствах, бытовой технике и механическом оборудовании.

Спрей покрытие

Напыление покрытия на нержавеющую сталь существенно отличается от описанных выше процессов окрашивания. В зависимости от используемых материалов, некоторые краски могут фактически повредить оксидный слой нержавеющей стали. Однако некоторые виды напыляемых покрытий позволяют получать различные цвета с помощью простых процессов, а различные типы покрытий могут использоваться для изменения тактильных ощущений или «прикосновений» к поверхности нержавеющей стали.

Допуски и возможности станков с ЧПУ Getzshape

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке, литью под давлением и многому другому. Ниже перечислены наши возможности по обработке нержавеющей стали на станках с ЧПУ.