Токарний верстат з ЧПУ для токарної обробки нержавіючої сталі: вибір верстата, інструменти та параметри різання

Нержавіюча сталь — це матеріал, який я використовую для порівняння реальної жорсткості машини. Ви не можете підробити це. Якщо шпиндель має вібрацію, якщо виступ інструмента занадто довгий, якщо потік охолоджуючої рідини недостатній — нержавіюча сталь виявить усі ці проблеми в обробці поверхні, і вона зробить це швидше, ніж будь-який інший звичайний матеріал заготовки. Після більш ніж десяти років постачання токарних верстатів з ЧПК виробникам хімічного, харчового обладнання та медичних приладів у Таїланді, В’єтнамі та Індії я зрозумів одну річ: нержавіюча сталь не прощає слабких характеристик і не прощає слабких машин.

Чому нержавіюча сталь є одним із найважчих матеріалів для обробки на токарному верстаті з ЧПК

Нержавіючу сталь важко обробляти через чотири складові причини. По-перше, він швидко зміцнюється: деформація від кожного проходу різання залишає твердіший підповерхневий шар, який наступний прохід має прорізати. По-друге, його теплопровідність становить приблизно одну третину від теплопровідності вуглецевої сталі, тому тепло концентрується на ріжучій кромці, а не розсіюється в деталі чи стружці. По-третє, нержавіюча сталь схильна до наростання краю (BUE) — матеріал заготовки приварюється до кінчика вставки, руйнуючи геометрію та обробку поверхні. По-четверте, пластичність, яка робить нержавіючу сталь цінною в експлуатації, утворює довгу, тягучу стружку, яка обертається навколо інструменту та заготовки, якщо не впоратися з руйнуванням стружки. Кожен із цих факторів погіршується, коли сама машина додає до рівняння вібрацію чи термічну нестабільність.

З нержавіючої сталі я дізнаюся, які машини відповідають своїм специфікаціям, а які ні. Цифри на папері виглядають однаково для багатьох машин у нашому ціновому діапазоні. Оздоблення деталі 316L після двох годин виробництва розповідає зовсім іншу історію.

Три сімейства нержавіючої сталі та чим вони відрізняються за оброблюваністю

Не вся нержавіюча сталь ріжеться однаково. Вибір класу, зроблений інженером-конструктором вашого замовника, безпосередньо впливає на те, як ви налаштуєте токарний верстат і скільки ви платите у вигляді витрат на інструменти за деталь.

Багато покупців недооцінюють різницю між 316L і 304. Так, вони виглядають схожими на діаграмі твердості. Але 316L містить молібден, який значно підвищує його міцність і стійкість до різання. На практиці: та сама вставка, яка витримує 45 хвилин на 304, може працювати 25 хвилин на 316L за однакових параметрів. Потреба в крутному моменті шпинделя при тій самій швидкості різання є помітно вищою. Якщо ви пропонуєте роботи, які перемикаються між 304 і 316L без коригування швидкості або очікуваного терміну служби інструменту, ви або залишаєте гроші на столі, або поглинаєте витрати, які повинні бути у вашій ціні.

Вибір машини: 4 найважливіші характеристики для нержавіючої сталі

Крутний момент шпинделя на низькій і середній швидкості (не лише на максимальних обертах на хвилину)

Специфікація шпинделя, яку цитує більшість продавців, — максимальне число обертів на хвилину. Для токарної обробки нержавіючої сталі він близький до найменш корисного числа на аркуші. Що має значення, так це наявний крутний момент у діапазоні низьких і середніх швидкостей — зазвичай від 500 до 2000 об/хв — де відбувається більшість грубих токарних робіт із нержавіючої сталі.

При рекомендованих швидкостях різання для кожного сорту:

• 304 нержавіюча сталь: 150–250 м/хв

• 316L нержавіюча сталь: 100–180 м/хв

• 17-4PH: 80–150 м/хв

• 2205 дуплекс: 80–120 м/хв

Для обертання деталі Ø100 мм зі швидкістю 150 м/хв потрібно приблизно 478 об/хв. Машина повинна забезпечувати номінальний крутний момент на цій швидкості, а не на 3500 об/хв. Багато покупців дивляться на номінальну потужність (кВт) і припускають, що крутний момент слідує, але машина з високошвидкісним шпинделем, оптимізованим для алюмінію, може мати криву крутного моменту, яка різко падає нижче 1500 об/хв. Для нержавіючої сталі це означає зупинку шпинделя, стукіт або перевантаження під час важкої чорнової обробки.

Коли я вказую верстат для клієнта, який виконує токарну роботу з нержавіючої сталі, я прошу побачити криву крутного моменту та швидкості, а не лише табличку. Плоска область крутного моменту повинна охоплювати робочий діапазон обертів за хвилину для деталей, що виготовляються.

Жорсткість машини: похила або плоска станина для нержавіючої сталі

Для токарної обробки нержавіючої сталі успішно використовуються токарні верстати з ЧПУ з похилою та плоскою станиною. Питання полягає в тому, яка геометрія відповідає вашому складу деталей і виробничому середовищу.

Переваги похилої станини для нержавіючої сталі:

• Евакуація стружки за допомогою сили тяжіння зберігає зону різання чистішою — критично важливо для довгої стружки з нержавіючої сталі

• Геометрія опори інструменту дозволяє зменшити виліт, що зменшує вплив сил різання на підшипник шпинделя

• Накопичення стружки на напрямних — основне джерело мікровібрації на плоских машинах під час роботи з нержавіючої сталі — значно зменшено

Похила станина 30° проти 45°: станина під кутом 30° забезпечує вищу структурну жорсткість поперечного перерізу станини порівняно з конструкцією під кутом 45°. Це особливо важливо при важкій чорновій обробці деталей з нержавіючої сталі великого діаметру (Ø200 мм+) і уривчастому різанні, наприклад, точінні фланцеві виливки з нерівним заготовкою. Для чистових проходів і робіт меншого діаметру обидва кутники працюють однаково.

У мене був клієнт в Індії, який обточував фланці з нержавіючої сталі 304 на плоскому верстаті. Вони отримували Ra1.6 у хороший день, Ra3.2 у поганий день. Розбіжність походить від накопичення стружки на напрямних, що спричиняє мікровібрацію. Ми перемістили їх на похилу грядку TK50. Ті самі вставки, ті ж параметри. Ra0,8 постійно. Це не проблема параметрів різання — це проблема геометрії машини, і вона невидима, доки ви не зміните машину.

Швидкість потоку охолоджуючої рідини: мінімум 80 л/хв для нержавіючої сталі

Швидкість потоку охолоджуючої рідини — це специфікація, про яку мене запитують найменше, і вона має найбільший вплив на токарну обробку нержавіючої сталі. Багато стандартних токарних верстатів з ЧПК постачаються з насосами охолоджуючої рідини, що подають 40–60 л/хв. Для алюмінію або вуглецевої сталі це достатньо. Для нержавіючої сталі це не так.

Три функції охолоджуючої рідини при токарній обробці нержавіючої сталі:

1. Відведення тепла — підтримка вставки при температурі нижче температури, при якій покриття PVD починає руйнуватися та утворюється BUE

2. Змащування в місці з’єднання стружка-інструмент — зменшення тертя, що викликає зміцнення в підповерхневому шарі

3. Промивання стружки — відведення довгої пластичної стружки від інструмента та патрона до того, як вона загорнеться та спричинить пошкодження або геометричну помилку

Жодна з цих функцій не масштабується лінійно зі швидкістю потоку, але всі вони мають поріг, нижче якого продуктивність швидко погіршується. Виходячи з нашого досвіду установок клієнтів, 80 л/хв є практичним мінімумом для безперервного токарного оброблення нержавіючої сталі. Для деталей великого діаметру (Ø300 мм+) або чорнової обробки з великою глибиною різання бажано 100 л/хв або більше.

Концентрація охолоджуючої рідини – це неприваблива деталь, про яку ніхто не говорить у дискусіях про вибір машини. Ми рекомендуємо концентрацію напівсинтетичної або синтетичної охолоджуючої рідини 8–12% для нержавіючої сталі. Нижче 5% ви створюєте термічний удар без справжнього змащення. Понад 15% піна перешкоджає відведенню стружки та закриває зону різання під час перевірки. Це звучить тривіально, поки ви не витратите дві години на пошуки дефекту обробки поверхні, який виявиться розбавленим баком охолоджуючої рідини.

Сила затиску патрона для нержавіючих поковок

Ковані вироби з нержавіючої сталі — корпуси клапанів, робочі колеса насосів, фланці — надходять із окалиною та твердими плямами на поверхні. Ручні трикулачкові патрони зі зношеними спіральними механізмами можуть втратити затискну силу під час циклу різання, оскільки заготовку тягнуть великі сили різання. Результатом є мікроковзання: деталь злегка обертається в патроні, створюючи биття на готових діаметрах.

Гідравлічні патрони зберігають постійний тиск затиску незалежно від техніки оператора та протистоять динамічним силам важкої чорнової обробки. Для поковок з нержавіючої сталі понад Ø150 мм гідравлічний патрон не є розкішшю — це різниця між незмінною точністю першої деталі та постійною переробкою. SZGH-6180, наприклад, постачається з 20-дюймовим гідравлічним патроном як стандартне обладнання, оскільки його цільове застосування — великі корпуси насосів і корпуси клапанів — незмінно поковки з нержавіючої сталі.

Рекомендовані токарні верстати з ЧПК для нержавіючої сталі за групами частин

Фланці та дискові частини з нержавіючої сталі (Ø50–Ø500 мм)

Рекомендовано: SZGH-TK50

TK50 є нашою основною рекомендацією для точіння фланців і дисків з нержавіючої сталі. Основні технічні характеристики: поворот Ø500 мм, отвір шпинделя Ø66 мм, місткість шини Ø50 мм, максимальна швидкість шпинделя 3500 об/хв, двигун шпинделя 11 кВт, револьверна головка з 8 станціями, доступна в конфігурації з похилою станиною 30° або 45°, вага машини 3200 кг. Вага машини має значення — це показник маси лиття та структурного демпфування, які зменшують тенденцію до деформації нержавіючої сталі.

Револьверна головка з 8 станціями дозволяє використовувати спеціальні станції для чорнової, напівчистової та чистової обробки пластин, а також інструмент для розточування та обробки канавок без налаштування зміни інструменту. Для виробництва нержавіючих фланців з високим вмістом суміші це скорочує час циклу кожної деталі завдяки виключенню перерв при заміні інструментів.

Вали та довгі штанги з нержавіючої сталі

Рекомендовано: SZGH-6150

Для нержавіючих валів довжиною від 500 мм до 3000 мм підходящою платформою є токарний верстат із плоскою станиною SZGH-6150 із опорою задньої бабки. Довгі тонкі заготовки з нержавіючої сталі прогинаються під дією сил різання — опора задньої бабки та стійкі опори є важливими для збереження сталості діаметра по довжині деталі. Конфігурація плоскої платформи 6150 забезпечує переміщення задньої бабки на всю довжину та легке стійке позиціонування, що може ускладнюватися конструкціями з похилою платформою.

Для токарної обробки валу поєднання тиску в центрі задньої бабки та правильного потоку охолоджуючої рідини запобігає відхиленню заготовки до стукоту. Ми налаштовуємо 6150 із високошвидкісним охолоджувачем як стандарт для застосувань із нержавіючої сталі.

Великі виливки з нержавіючої сталі та корпуси насосів (Ø500 мм+)

Рекомендовано: SZGH-6180

SZGH-6180 створено для точіння нержавіючої сталі великого діаметру з високим зусиллям: поворот Ø800 мм, отвір шпинделя Ø130 мм, мотор шпинделя 11 кВт, вага машини 6200 кг, 20-дюймовий стандартний гідравлічний патрон. Корпуси насосів, великі корпуси клапанів і фланці хімічних реакторів у дуплексі 316L або 2205 є проектними цілями. Гідравлічний патрон задовольняє вимоги до затиску нержавіючих поковок із перерваними зовнішніми поверхнями. При масі 6200 кг машина забезпечує природне демпфування переривчастих сил різання, характерних для грубого токарного лиття.

Невеликі нержавіючі компоненти з фрезерованими елементами

Рекомендовано: SZGH-46Z

Коли деталі з нержавіючої сталі вимагають як точених, так і фрезерованих деталей — хрестоподібні отвори, плоскі, шпонкові канавки, радіальні порти — токарно-фрезерний компаунд SZGH-46Z повністю виключає налаштування другої операції. Станина з кутом нахилу 45°, вісь С і приводний інструмент дозволяють виконати повну механічну обробку за одне затискання. Для компонентів медичних пристроїв і корпусів хімічних фітингів у 316L, які потребують як точіння, так і поперечного свердління, це усуває взаємодію, що є основним джерелом зміщення бази даних і помилки концентричності в робочих процесах із двома машинами.

Рекомендації щодо інструментів для точіння нержавіючої сталі

Вибір пластини та параметри різання – це те, де токарна обробка нержавіючої сталі виграє або втрачає на рівні процесу. Таблиця нижче охоплює чотири найпоширеніші класи для чорнової та чистової обробки.

Чому PVD покриття, а не CVD, для нержавіючої сталі:

Покриття CVD (хімічне осадження з парової фази) — TiCN/Al₂O3 — наносяться при високій температурі та створюють у шарі покриття стан напруги при стисненні. Вони відмінно підходять для високошвидкісного точіння чавуну і вуглецевої сталі. Для нержавіючої сталі проблема полягає в термічній чутливості: нержавіюча сталь концентрує тепло на ріжучій кромці, а напруга розтягування в CVD-покриттях робить їх більш сприйнятливими до мікротріщин під час періодичного термічного циклу, який характеризує точіння нержавіючої сталі з охолодженням.

Покриття PVD (TiAlN, AlTiN) наносяться при нижчій температурі та створюють залишкову напругу стиснення, яка протистоїть поширенню тріщин. Вони зберігають свою твердість при більш високих температурах відносно товщини покриття, а більш гостра підготовка країв, можлива за допомогою PVD, сумісна з позитивною геометрією нахилу, необхідною для мінімізації зміцнення нержавіючої сталі. На практиці PVD-вставки з нержавіючої сталі постійно перевищують термін служби CVD-вставок, незважаючи на меншу номінальну твердість покриття.

Поширені помилки під час точіння нержавіючої сталі

Після перегляду налаштувань клієнта з Бангкока до Пуни ті самі помилки з’являються неодноразово. Більшість із них не є проблемами обладнання — це технологічні рішення, прийняті без достатньої інформації про те, як поводиться нержавіюча сталь.

• Занадто низька швидкість різання. Найпоширеніша помилка, яку я бачу. Оператори, стурбовані зносом інструменту, зменшують Vc. Нижче мінімальної для ухилу — близько 100 м/хв для 316L — ви не ріжете чисто; ви натираєте. Заготівля твердне швидше, ніж ви видаляєте матеріал. Наступний прохід ріже більш твердий матеріал. Ресурс вставки руйнується, і деталь не відповідає допускам на розміри. Робота на правильній або трохи вищій швидкості зменшує зміцнення і, незрозуміло, продовжує термін служби інструменту.

• Недостатня концентрація теплоносія. Робота з концентрацією 3–5% на нержавіючої сталі забезпечує термічний удар, але недостатнє змащення. BUE розвивається швидше, обробка поверхні погіршується, і оператори збільшують Vc для компенсації, що ще більше прискорює знос пластини. Перевіряйте концентрацію в резервуарі за допомогою рефрактометра кожну зміну при безперервній роботі з нержавіючої сталі.

• Надто низька швидкість подачі. Зменшення подачі нижче порогу подрібнення стружки спричиняє тертя пластини, а не різання. Подібно до низького Vc, низька подача посилює зміцнення та тертя. Для більшості чорнових токарних робіт з нержавіючої сталі практична мінімальна подача становить 0,20 мм/об.

• Сповільнене руйнування стружки. Нержавіюча стружка пластична і довга. Оператори, які працюють без ефективної стратегії руйнування стружки, знаходять, що стружка обертається навколо заготовки чи інструмента, пошкоджуючи обробку, і час від часу витягує деталь із патрона. Якщо ваша стружка не працює на початку зміни, це не покращиться протягом зміни.

• Продовження різання зі зношеною вставкою. Нержавіюча сталь особливо невблаганна до нудних інструментів. Зношена кромка збільшує силу різання, підвищує температуру та погіршує зміцнення, створюючи петлю зворотного зв’язку, яка швидко руйнує обробку поверхні. Встановіть постійний індекс ресурсу інструменту (хвилини різання або кількість деталей) і змінюйте пластини до, а не після того, як вони досягнуть порогу деградації.

• Ігнорування вібрації на першій частині. Скрекіт під час точіння нержавіючої сталі не є неприємністю — це сигнал про структурну проблему установки: надмірний виступ інструмента, недостатнє затискання або проблема з підшипником шпинделя. Проходячи через нього, утворюється брухт, неприйнятні частини.

Модельний ряд SZGHTECH для обробки нержавіючої сталі

Усі моделі: сертифіковані CE, управління якістю ISO 9001, гарантія 12 місяців, термін виконання 20–35 робочих днів.

Часті запитання

Q1: Який токарний верстат з ЧПК найкраще підходить для точіння нержавіючої сталі 316?

Для більшості токарних робіт 316L — фланці, корпуси клапанів, фітинги в діапазоні Ø50–Ø500 мм — моєю першою рекомендацією є токарний верстат із похилою станиною SZGH-TK50. Геометрія похилої станини забезпечує відведення стружки за допомогою сили тяжіння, менший виліт інструменту та знижену мікровібрацію порівняно з верстатами з плоскою станиною, і все це має велике значення для 316L. Шпиндель потужністю 11 кВт забезпечує достатній крутний момент у діапазоні 500–1500 об/хв, де відбувається грубе точіння 316L. Для деталей понад Ø500 мм — наприклад, великих корпусів насосів — SZGH-6180 із 20-дюймовим гідравлічним патроном є правильною платформою.

Q2: Яку швидкість різання слід використовувати для токарної обробки нержавіючої сталі 304 з ЧПУ?

Для нержавіючої сталі 304 із твердосплавними вставками з PVD-покриттям і охолоджуючою рідиною, що проливається, я рекомендую 150–250 м/хв. Грубе точіння зі швидкістю 180–220 м/хв із подачею 0,25–0,40 мм/об і глибиною різання 2–5 мм. Фінішна обробка 200–250 м/хв зі швидкістю 0,10–0,18 мм/об і глибиною 0,3–1,0 мм. Основна помилка полягає в зниженні швидкості нижче 150 м/хв з обережності — нижче цього порогу 304 твердне швидше, ніж ви знімаєте матеріал, і термін служби пластини різко падає.

Q3: Чому нержавіюча сталь викликає наклеп і як це впливає на токарну роботу з ЧПУ?

Аустенітні нержавіючі сталі (304, 316L) мають нестабільну кристалічну структуру, яка трансформується під дією механічної деформації — та сама властивість, яка робить їх міцними та пластичними під час експлуатації. Під час точіння пластична деформація різання створює загартований шар безпосередньо під обробленою поверхнею. Наступний прохід різання стикається з цим твердішим матеріалом, що вимагає більшої сили різання та виділяє більше тепла. Цикл складається: більша деформація створює більше зміцнення. Практичний ефект полягає в тому, що якщо ваша швидкість різання або подача падає нижче порогу для чистого утворення стружки, кожен прохід буде важче зробити, ніж попередній, ресурс інструменту скорочується, а точність розмірів змінюється. Правильна швидкість, адекватна подача та гострі пластини – ось три елементи керування, які розривають цей цикл.

Питання 4: чи варто використовувати токарний верстат з ЧПУ з похилою або плоскою станиною для обробки нержавіючої сталі?

Для більшості типів деталей з нержавіючої сталі менше Ø500 мм — фланців, дискових частин, фітингів, корпусів — токарний верстат із похилою станиною є кращим вибором. Похила геометрія видаляє стружку із зони різання під дією сили тяжіння, усуває ущільнення стружки на напрямних (основне джерело мікровібрації в плоских верстатах з нержавіючої сталі) і дозволяє встановити коротші та жорсткіші інструменти. Для довгих валів, які потребують задньої бабки та стійкої опори, або для деталей дуже великого діаметру більш практичним є верстат з плоскою станиною, такий як SZGH-6150 або SZGH-6180. Правильна відповідь залежить від вашої складової суміші, а не від універсальних переваг.

Q5: Яка швидкість потоку охолоджуючої рідини мені потрібна для токарної обробки нержавіючої сталі з ЧПУ?

Мінімум 80 л/хв. Для чорнової обробки великого діаметру (Ø300 мм+) або високої швидкості зняття матеріалу, 100 л/хв або більше. Не менш важливо: підтримувати концентрацію охолоджуючої рідини на рівні 8–12% напівсинтетики або синтетики. При концентрації нижче 5% ви втрачаєте функцію змащування, і BUE утворюється агресивно. Понад 15% піноутворення порушує відведення стружки. Перевірте концентрацію за допомогою рефрактометра — кожну зміну для спеціального виробництва нержавіючої сталі.

Q6: Яке покриття пластини найкраще підходить для токарної обробки нержавіючої сталі?

Покриття PVD — зокрема TiAlN або AlTiN — незмінно перевершує покриття CVD на нержавіючій сталі. Покриття CVD чудово підходять для чавуну та вуглецевої сталі, але наносяться при високих температурах, що створює залишкову напругу розтягування в шарі покриття. Під час термічного циклу токарної обробки нержавіючої сталі із заливним охолодженням ця напруга робить CVD-покриття більш схильними до мікротріщин. PVD-покриття мають залишкову напругу при стиску, протистоять поширенню тріщин і підтримують гостріші позитивні передні форми, необхідні для нержавіючої сталі для мінімізації зміцнення. Підготовка краю має таке ж значення, як і хімічний склад покриття: для нержавіючої сталі використовуйте гострий, відточений край, а не важку фаску.

Q7: Чи може SZGH-TK50 обробляти безперервне точіння фланців з нержавіючої сталі 316L?

Так, і це один із основних випадків використання дизайну. Шпиндель TK50 потужністю 11 кВт із достатнім крутним моментом на низькій швидкості, масою машини 3200 кг і геометрією похилої станини справляються з постійними зусиллями різання чорнової обробки 316L. Револьверна головка з 8 станціями дозволяє повністю налаштувати інструмент — дві чорнові станції, станцію напівчистової обробки, станцію чистової обробки, розточувальний стрижень і інструмент для довбання канавок — без заміни інструменту в середині циклу, що важливо для продуктивного виробництва фланців. Замовники в Індії та В’єтнамі наразі використовують фланці 316L на TK50 у багатозмінному виробництві. Стандартна система теплоносія для затоплення відповідає мінімуму 80 л/хв; ми рекомендуємо перейти на опцію високого потоку для безперервного тризмінного виробництва нержавіючої сталі.

Q8: Який час виконання для токарних верстатів з ЧПК SZGHTECH, налаштованих на роботу з нержавіючої сталі?

Стандартний термін виконання замовлення становить 20–35 робочих днів з моменту підтвердження замовлення та депозиту. Машини, налаштовані спеціально для нержавіючої сталі — з насосами охолоджуючої рідини з великим потоком, гідравлічним патроном і конвеєром стружки — виготовляються на замовлення. Ми не рекомендуємо закуповувати зі складу для нержавіючої сталі, оскільки специфікації охолоджуючої рідини та затискачів мають відповідати розмірам ваших деталей і обсягу виробництва. Для клієнтів у Таїланді, В’єтнамі та Індії ми створили маршрути експедирування вантажів і можемо надати ціни CIF. Зв’яжіться з нами для обговорення конфігурації машини перед розміщенням замовлення: розмова про конфігурацію зазвичай економить час порівняно з модифікаціями після доставки.

Запит на ціну