Токарный станок с ЧПУ для токарной обработки нержавеющей стали: выбор станка, параметры оснастки и резки

Нержавеющая сталь — это материал, который я использую для оценки реальной жесткости машины. Вы не можете это подделать. Если шпиндель вибрирует, если вылет инструмента слишком велик, если поток охлаждающей жидкости недостаточен — нержавеющая сталь обнажит все эти проблемы с качеством поверхности, и сделает это быстрее, чем любой другой распространенный материал заготовки. После более чем десяти лет поставок токарных станков с ЧПУ производителям химического, пищевого и медицинского оборудования в Таиланде, Вьетнаме и Индии я усвоил одну вещь: нержавеющая сталь не прощает слабых технических характеристик и не прощает слабых машин.

Почему нержавеющая сталь — один из самых сложных материалов для обработки на токарном станке с ЧПУ

Нержавеющую сталь трудно обрабатывать по четырем причинам. Во-первых, он быстро затвердевает: деформация при каждом проходе резки оставляет более твердый подповерхностный слой, который должен прорезать следующий проход. Во-вторых, ее теплопроводность составляет примерно одну треть от теплопроводности углеродистой стали, поэтому тепло концентрируется на режущей кромке, а не рассеивается по заготовке или стружке. В-третьих, нержавеющая сталь склонна к образованию наростов на кромке (BUE) — материал заготовки приваривается к кончику пластины, разрушая геометрию и качество поверхности. В-четвертых, пластичность, которая делает нержавеющую сталь ценной в эксплуатации, приводит к образованию длинной, вязкой стружки, которая обволакивает инструмент и заготовку, если не принять меры по ее разрушению. Каждый из этих факторов ухудшается, когда сама машина добавляет в уравнение вибрацию или тепловую нестабильность.

Из нержавеющей стали я узнаю, какие машины соответствуют своим спецификациям, а какие нет. Цифры на бумаге выглядят одинаково для многих машин нашего ценового диапазона. Отделка детали из 316L после двух часов производства рассказывает совершенно другую историю.

Три семейства нержавеющих сталей и их различия в обрабатываемости

Не вся нержавеющая сталь режется одинаково. Выбор сплава, сделанный инженером-конструктором вашего клиента, напрямую влияет на то, как вы настроите токарный станок и сколько вы платите в качестве стоимости оснастки за деталь.

Разницу между 316L и 304 многие покупатели недооценивают. Да, на диаграмме твердости они похожи. Но 316L содержит молибден, который значительно повышает его ударную вязкость и стойкость к резанию. С практической точки зрения: одна и та же вставка, которая работает 45 минут при повороте 304, может прослужить 25 минут на 316L при идентичных параметрах. Требуемый крутящий момент шпинделя при той же скорости резания значительно выше. Если вы указываете работы, в которых происходит переключение между 304 и 316L без корректировки скорости или ожидаемого срока службы инструмента, вы либо оставляете деньги на столе, либо поглощаете затраты, которые должны быть включены в вашу цену.

Выбор станка: 4 наиболее важные характеристики для нержавеющей стали

Крутящий момент шпинделя на низкой и средней скорости (не только на максимальной скорости вращения)

Спецификация шпинделя, которую указывает большинство продавцов, — максимальная частота вращения. Для токарной обработки нержавеющей стали это число близко к наименее полезному на листе. Что имеет значение, так это доступный крутящий момент в диапазоне низких и средних скоростей — обычно от 500 до 2000 об/мин — где происходит большая часть черновой обработки нержавеющей стали.

При рекомендуемых скоростях резания для каждого сорта:

• Нержавеющая сталь 304: 150–250 м/мин.

• Нержавеющая сталь 316L: 100–180 м/мин.

• 17-4PH: 80–150 м/мин.

• 2205 дуплекс: 80–120 м/мин

Для обработки детали диаметром 100 мм со скоростью 150 м/мин требуется около 478 об/мин. Машина должна развивать номинальный крутящий момент на этой скорости, а не при 3500 об/мин. Многие покупатели смотрят на номинальную мощность (кВт) и предполагают, что за этим следует крутящий момент, но станок с высокоскоростным шпинделем, оптимизированным для алюминия, может иметь кривую крутящего момента, которая резко падает ниже 1500 об/мин. При обработке нержавеющей стали это приводит к остановке шпинделя, вибрации или перегрузке во время тяжелой черновой обработки.

Когда я указываю станок для клиента, выполняющего токарную обработку нержавеющей стали, я прошу показать кривую зависимости крутящего момента от скорости, а не только паспортную табличку. Область плоского крутящего момента должна охватывать рабочий диапазон оборотов производимых деталей.

Жесткость станка: наклонная и плоская станина для обработки нержавеющей стали

Для токарной обработки нержавеющей стали успешно используются как наклонные, так и плоские токарные станки с ЧПУ. Вопрос в том, какая геометрия соответствует вашему набору деталей и производственной среде.

Преимущества наклонной станины для нержавеющей стали:

• Эвакуация стружки под действием силы тяжести обеспечивает чистоту зоны резания, что крайне важно для длинной и вязкой стружки из нержавеющей стали.

• Геометрия стойки инструмента обеспечивает более короткий вылет, что уменьшает воздействие сил резания на подшипник шпинделя.

• Накопление стружки на направляющих — основного источника микровибрации на плоских станках при обработке нержавеющей стали — значительно снижается.

Наклонная кровать 30° против 45°: Станина с наклоном 30° обеспечивает более высокую структурную жесткость в поперечном сечении станины по сравнению с конструкцией с наклоном 45°. Это особенно важно при тяжелой черновой обработке деталей из нержавеющей стали большого диаметра (Ø200 мм+) и прерывистом резании, например при токарной обработке фланцевых отливок с неровной заготовкой. Для чистовых проходов и работ меньшего диаметра оба угла работают одинаково.

У меня был клиент в Индии, который обрабатывал фланцы из нержавеющей стали 304 на плоском станке. В хороший день они получали Ra1,6, в плохой — Ra3,2. Причиной отклонения было скопление стружки на направляющих, вызывающее микровибрацию. Мы переместили их на наклонную станину ТК50. Те же вставки, те же параметры. Ра0,8 стабильно. Это не проблема параметров резания — это проблема геометрии станка, и она невидима, пока вы не смените станок.

Скорость потока охлаждающей жидкости: минимум 80 л/мин для нержавеющей стали.

Скорость потока охлаждающей жидкости — это характеристика, о которой меня спрашивают реже всего, и она оказывает наибольшее влияние при точении нержавеющей стали. Многие стандартные токарные станки с ЧПУ поставляются с насосами охлаждающей жидкости, обеспечивающими производительность 40–60 л/мин. Для алюминия или углеродистой стали этого вполне достаточно. Для нержавеющей стали это не так.

Три функции СОЖ при точении нержавеющей стали:

1. Отвод тепла — поддержание вставки при температуре ниже температуры, при которой PVD-покрытия начинают разрушаться и образуется BUE.

2. Смазка на границе стружки-инструмента — уменьшение трения, вызывающего наклеп в подповерхностном слое.

3. Промывка стружки — отведение длинной пластичной стружки от инструмента и патрона до того, как она накроется и вызовет повреждение или геометрическую ошибку.

Ни одна из этих функций не масштабируется линейно в зависимости от скорости потока, но все они имеют порог, ниже которого производительность быстро снижается. Исходя из нашего опыта работы с установками клиентов, 80 л/мин — это практический минимум для непрерывного точения нержавеющей стали. Для деталей большого диаметра (Ø300 мм+) или черновой обработки с большой глубиной резания предпочтительна скорость 100 л/мин или более.

Концентрация охлаждающей жидкости — это неприятная деталь, о которой никто не говорит при обсуждении выбора машины. Мы рекомендуем концентрацию полусинтетической или синтетической охлаждающей жидкости 8–12 % для нержавеющей стали. Ниже 5% вы получаете термический удар без реальной смазки. При концентрации выше 15% пена препятствует эвакуации стружки и затеняет зону резания во время контроля. Это звучит тривиально, пока вы не потратите два часа на поиск дефекта поверхности, который оказывается бачком с разбавленной охлаждающей жидкостью.

Усилие зажима патрона для поковок из нержавеющей стали

Поковки из нержавеющей стали — корпуса клапанов, рабочие колеса насосов, фланцы — поступают с окалиной и твердыми пятнами на поверхности. Ручные трехкулачковые патроны с изношенными спиральными механизмами могут терять силу зажима во время цикла резания, поскольку заготовка тянется под действием высоких сил резания. Результатом является микропроскальзывание: деталь слегка вращается в патроне, вызывая биение на готовых диаметрах.

Гидравлические патроны поддерживают постоянное давление зажима независимо от техники работы оператора и противостоят динамическим нагрузкам при тяжелой черновой обработке. Для поковок из нержавеющей стали диаметром более 150 мм гидравлический патрон – это не роскошь: это разница между стабильной точностью изготовления первой детали и постоянной доработкой. Например, SZGH-6180 поставляется с 20-дюймовым гидравлическим патроном в качестве стандартного оборудования именно потому, что его целевыми областями применения — большими корпусами насосов и корпусами клапанов — неизменно являются поковки из нержавеющей стали.

Рекомендуемые токарные станки с ЧПУ для обработки нержавеющей стали по семействам деталей

Фланцы и детали дисков из нержавеющей стали (Ø50–Ø500 мм)

Рекомендуется: SZGH-TK50.

TK50 — наша основная рекомендация для токарной обработки фланцев и дисков из нержавеющей стали. Основные характеристики: поворотный механизм Ø500 мм, отверстие шпинделя Ø66 мм, мощность стержня Ø50 мм, максимальная скорость вращения шпинделя 3500 об/мин, двигатель шпинделя 11 кВт, револьверная головка на 8 позиций, доступна в конфигурации с наклонной станиной 30° или 45°, вес станка 3200 кг. Вес машины имеет значение — он является показателем массы отливки и структурного демпфирования, которые уменьшают вибрацию нержавеющей стали.

Револьверная головка с 8 станциями позволяет использовать отдельные станции для черновой, получистовой и чистовой обработки, а также расточную оправку и инструмент для обработки канавок без настройки смены инструмента. При производстве фланцев из нержавеющей стали с большим количеством смеси это сокращает время цикла изготовления каждой детали за счет устранения перерывов в замене инструмента.

Валы из нержавеющей стали и длинные стержни

Рекомендуется: SZGH-6150.

Для валов из нержавеющей стали длиной от 500 до 3000 мм подходящей платформой является токарный станок с плоской станиной SZGH-6150 с опорой задней бабки. Длинные тонкие детали из нержавеющей стали изгибаются под действием сил резания — опора задней бабки и люнеты необходимы для поддержания постоянного диаметра по длине детали. Конфигурация станка 6150 с плоской станиной обеспечивает перемещение задней бабки по всей длине и легкое позиционирование люнета, что может усложнять конструкция с наклонной станиной.

При токарной обработке валов сочетание давления в центре задней бабки и правильного потока охлаждающей жидкости предотвращает вибрацию заготовки. В стандартную комплектацию модели 6150 входит высокопоточная охлаждающая жидкость для валов из нержавеющей стали.

Крупногабаритные отливки из нержавеющей стали и корпуса насосов (диаметром 500 мм и более)

Рекомендуется: SZGH-6180.

Станок SZGH-6180 предназначен для токарной обработки нержавеющей стали большого диаметра с высокими усилиями: диаметр поворота 800 мм, отверстие шпинделя 130 мм, двигатель шпинделя 11 кВт, вес станка 6200 кг, стандартный 20-дюймовый гидравлический патрон. Целью проектирования являются корпуса насосов, большие корпуса клапанов и фланцы химических реакторов из дуплексной стали 316L или 2205. Гидравлический патрон отвечает требованиям по зажиму поковок из нержавеющей стали с прерывистыми внешними поверхностями. Масса станка, составляющая 6200 кг, обеспечивает естественное демпфирование прерывистых сил резания, характерных для черновой обработки отливок.

Маленькие детали из нержавеющей стали с фрезерованными элементами

Рекомендуется: SZGH-46Z.

Когда детали из нержавеющей стали требуют как токарной, так и фрезерованной обработки — поперечных отверстий, лысок, шпоночных пазов, радиальных отверстий — токарно-фрезерный состав SZGH-46Z полностью исключает необходимость второй операции. Станина с наклоном 45°, ось C и приводной инструмент позволяют выполнить полную обработку за один зажим. Для компонентов медицинского оборудования и корпусов химических фитингов из стали 316L, требующих как токарной обработки, так и поперечного сверления, это исключает межоперационную обработку, которая является основным источником смещения исходной точки и ошибки концентричности в рабочих процессах с двумя станками.

Рекомендации по инструментам для токарной обработки нержавеющей стали

Выбор пластины и параметры резания – это то, где точение нержавеющей стали выигрывает или проигрывает на уровне процесса. В таблице ниже представлены четыре наиболее распространенных сплава для черновых и чистовых операций.

Почему покрытие PVD, а не CVD, для нержавеющей стали:

Покрытия CVD (химическое осаждение из паровой фазы) — TiCN/Al₂O₃ — наносятся при высокой температуре и создают сжимающее растягивающее состояние в слое покрытия. Они превосходно подходят для высокоскоростного точения чугуна и углеродистой стали. В случае нержавеющей стали проблема заключается в термической чувствительности: нержавеющая сталь концентрирует тепло на режущей кромке, а растягивающее напряжение в CVD-покрытиях делает их более восприимчивыми к микротрещинам при прерывистом термоциклировании, которое характерно для токарной обработки нержавеющей стали с обливным охлаждением.

PVD-покрытия (TiAlN, AlTiN) наносятся при более низкой температуре и создают сжимающее остаточное напряжение, препятствующее распространению трещин. Они сохраняют свою твердость при более высоких температурах относительно толщины покрытия, а более острая подготовка кромок, возможная с помощью PVD, совместима с положительной передней геометрией, необходимой для минимизации деформационного упрочнения нержавеющей стали. На практике пластины PVD из нержавеющей стали значительно превосходят пластины CVD, несмотря на более низкую номинальную твердость покрытия.

Распространенные ошибки при токарной обработке нержавеющей стали

После проверки настроек клиентов от Бангкока до Пуны одни и те же ошибки появляются неоднократно. Большинство из них не связаны с проблемами оборудования — это технологические решения, принятые без достаточной информации о том, как ведет себя нержавеющая сталь.

• Слишком низкая скорость резания. Самая распространенная ошибка, которую я вижу. Операторы, обеспокоенные износом инструмента, снижают Vc. Ниже минимальной скорости для данного класса — около 100 м/мин для 316L — вы режете нечисто; ты трешь. Заготовка затвердевает быстрее, чем вы удаляете материал. Следующий проход режет более твердый материал. Срок службы вставки разрушается, и деталь не соответствует размерным допускам. Работа на правильной или немного более высокой скорости снижает нагар и, как ни странно, продлевает срок службы инструмента.

• Недостаточная концентрация охлаждающей жидкости. Работа с концентрацией 3–5% на нержавеющей стали приводит к термическому удару, но недостаточной смазке. BUE развивается быстрее, качество поверхности ухудшается, и операторы увеличивают Vc, чтобы компенсировать это, что еще больше ускоряет износ пластины. Проверяйте концентрацию в резервуаре рефрактометром каждую смену при непрерывной работе нержавеющей стали.

• Скорость подачи слишком низкая. Уменьшение подачи ниже порога утончения стружки приводит к трению пластины, а не резанию. Как и низкий Vc, малая подача ухудшает нагартование и нагрев при трении. Для большинства черновых операций по точению нержавеющей стали практическая минимальная подача составляет 0,20 мм/об.

• Замедленное разрушение стружки. Нержавеющая стружка пластичная и длинная. Операторы, работающие без эффективной стратегии стружколомания, обнаруживают, что стружка наматывается на заготовку или инструмент, задирает поверхность и иногда выдергивает деталь из патрона. Если ваш стружколом не работает в начале смены, он не улучшится и в течение смены.

• Продолжаем резать с изношенной вставкой. Нержавеющая сталь особенно не прощает тупых инструментов. Изношенная кромка увеличивает силы резания, повышает нагрев и ухудшает наклеп, создавая петлю обратной связи, которая быстро разрушает качество поверхности. Установите постоянный показатель стойкости инструмента (минуты резания или количество деталей) и меняйте пластины до, а не после того, как они достигнут порога деградации.

• Игнорирование вибрации на первой части. Вибрация при точении нержавеющей стали не является помехой — это сигнал о том, что в установке возникла проблема с конструкцией: чрезмерный вылет инструмента, недостаточный зажим или проблема с подшипником шпинделя. При его прохождении получаются отходы, а не неприемлемые детали.

Модельный ряд SZGHTECH для обработки нержавеющей стали

Все модели: сертифицированы CE, управление качеством ISO 9001, гарантия 12 месяцев, срок выполнения заказа 20–35 рабочих дней.

Часто задаваемые вопросы

В1: Какой токарный станок с ЧПУ лучше всего подходит для токарной обработки нержавеющей стали 316?

Для большинства операций точения 316L — фланцев, корпусов клапанов, фитингов диаметром 50–500 мм — моя первая рекомендация — токарный станок с наклонной станиной SZGH-TK50. Геометрия наклонной станины обеспечивает эвакуацию стружки под действием силы тяжести, более короткий вылет инструмента и меньшую микровибрацию по сравнению со станками с плоской станиной, и все это имеет большое значение для станка 316L. Шпиндель мощностью 11 кВт обеспечивает достаточный крутящий момент в диапазоне 500–1500 об/мин, где происходит черновая обработка 316L. Для деталей диаметром более 500 мм (например, больших корпусов насосов) подходящей платформой является SZGH-6180 с 20-дюймовым гидравлическим патроном.

В2: Какую скорость резания следует использовать при токарной обработке нержавеющей стали 304 с ЧПУ?

Для нержавеющей стали 304 с твердосплавными пластинами с PVD-покрытием и охлаждающей жидкостью я рекомендую скорость 150–250 м/мин. Черновое точение на скорости 180–220 м/мин с подачей 0,25–0,40 мм/об и глубиной резания 2–5 мм. Чистовая обработка со скоростью 200–250 м/мин, скоростью 0,10–0,18 мм/об и глубиной 0,3–1,0 мм. Основная ошибка — это снижение скорости ниже 150 м/мин из осторожности — ниже этого порога 304 затвердевает быстрее, чем вы удаляете материал, и срок службы вставки резко падает.

В3: Почему нержавеющая сталь вызывает нагартование и как это влияет на токарную обработку с ЧПУ?

Аустенитные нержавеющие стали (304, 316L) имеют нестабильную кристаллическую структуру, которая трансформируется при механической деформации — это же свойство делает их прочными и пластичными в эксплуатации. Во время токарной обработки пластическая деформация резания создает упрочненный слой непосредственно под обрабатываемой поверхностью. При следующем проходе резки используется более твердый материал, требующий более высоких сил резания и выделяющий больше тепла. Цикл усложняется: большая деформация приводит к большей закалке. Практический эффект заключается в том, что если скорость резания или подача падают ниже порога чистого образования стружки, каждый проход становится труднее выполнять, чем предыдущий, срок службы инструмента снижается, а точность размеров снижается. Правильная скорость, достаточная подача и острые пластины — вот три элемента, которые разрывают этот порочный круг.

В4: Должен ли я использовать токарный станок с ЧПУ с наклонной или плоской станиной для обработки нержавеющей стали?

Для большинства типов деталей из нержавеющей стали диаметром менее 500 мм — фланцев, деталей дисков, фитингов, корпусов — лучшим выбором будет токарный станок с наклонной станиной. Наклонная геометрия удаляет стружку из зоны резания под действием силы тяжести, исключает налипание стружки на направляющие (основной источник микровибрации в плоских станках для обработки нержавеющей стали) и обеспечивает более короткие и более жесткие настройки инструмента. Для длинных валов, требующих задней бабки и люнета, или деталей очень большого диаметра, более практичным является станок с плоской станиной, такой как SZGH-6150 или SZGH-6180. Правильный ответ зависит от вашего состава деталей, а не от универсального предпочтения.

В5: Какая скорость потока охлаждающей жидкости мне нужна для токарной обработки нержавеющей стали с ЧПУ?

Минимум 80 л/мин охлаждающей жидкости. Для черновой обработки большого диаметра (Ø300 мм+) или с высокой скоростью съема материала, 100 л/мин или выше. Не менее важно: поддерживать концентрацию охлаждающей жидкости на уровне 8–12% полусинтетика или синтетика. При концентрации ниже 5% вы теряете смазывающую функцию и активно образуется BUE. При концентрации выше 15% вспенивание нарушает эвакуацию стружки. Проверка концентрации с помощью рефрактометра — каждую смену для специализированного производства нержавеющей стали.

Вопрос 6. Какое покрытие пластины лучше всего подходит для токарной обработки нержавеющей стали?

Покрытие PVD, особенно TiAlN или AlTiN, неизменно превосходит покрытие CVD на нержавеющей стали. Покрытия CVD превосходно подходят для чугуна и углеродистой стали, но наносятся при высоких температурах, которые создают растягивающие остаточные напряжения в слое покрытия. При термоциклировании токарной обработки нержавеющей стали с водяным охлаждением это напряжение делает покрытия CVD более склонными к образованию микротрещин. Покрытия PVD обладают сжимающими остаточными напряжениями, противостоят распространению трещин и поддерживают более острую геометрию кромок с положительным передним углом, которая необходима нержавеющей стали для минимизации наклепа. Подготовка кромки имеет такое же значение, как и химическое покрытие: для нержавеющей стали используйте острую, отточенную кромку, а не тяжелую фаску.

Вопрос 7: Может ли станок SZGH-TK50 выполнять непрерывную токарную обработку фланцев из нержавеющей стали 316L?

Да, и это один из основных вариантов использования при проектировании. Шпиндель TK50 мощностью 11 кВт с достаточным крутящим моментом на низких скоростях, массой станка 3200 кг и наклонной геометрией станины выдерживает устойчивые силы резания при черновой обработке стали 316L. Револьверная головка с 8 станциями позволяет выполнить полную настройку инструмента — две станции черновой обработки, станцию ​​получистовой обработки, станцию ​​чистовой обработки, расточную оправку и инструмент для обработки канавок — без замены инструмента в середине прогона, что важно для продуктивного изготовления фланцев. Клиенты в Индии и Вьетнаме в настоящее время используют фланцы 316L на TK50 в многосменном производстве. Стандартная система охлаждающей жидкости соответствует минимальному расходу 80 л/мин; мы рекомендуем перейти на вариант с высокой производительностью для бесперебойного трехсменного производства нержавеющей стали.

Вопрос 8: Каковы сроки поставки токарных станков с ЧПУ SZGHTECH, предназначенных для работы с нержавеющей сталью?

Стандартное время выполнения заказа составляет 20–35 рабочих дней с момента подтверждения заказа и внесения депозита. Станки, специально предназначенные для обработки нержавеющей стали, с высокопроизводительными насосами охлаждающей жидкости, гидравлическим патроном и конвейером для стружки, изготавливаются на заказ. Мы не рекомендуем приобретать изделия из нержавеющей стали со склада, поскольку характеристики охлаждающей жидкости и зажимов должны соответствовать размерам ваших деталей и объему производства. Для клиентов в Таиланде, Вьетнаме и Индии мы установили маршруты экспедирования грузов и можем предоставить цены CIF. Свяжитесь с нами для обсуждения конфигурации машины перед размещением заказа: обсуждение конфигурации обычно экономит время по сравнению с модификациями после поставки.

Запросить цену