Фрезеровка нержавейки на ЧПУ: режимы, инструмент и почему станок с шпинделем 24 000 об/мин не подходит

Чем нержавейка отличается от конструкционной стали

У аустенитных сталей (с хромом и никелем, марки 12Х18Н10Т, AISI 304 и 316) есть три свойства, которые определяют технологию.

Наклёп. Пластическая деформация упрочняет поверхностный слой: твёрдость растёт, пластичность падает. Это общее явление для металлов, но аустенитные нержавейки реагируют на него сильнее других. Если фреза не режет, а мнёт металл, на детали остаётся упрочнённая корка, и следующий зуб режет по ней, изнашиваясь быстрее. Отсюда правило: подача на зуб должна быть достаточной, чтобы кромка заходила под упрочнённый слой, и фреза не должна «стоять» на месте.

Низкая теплопроводность. Тепло из зоны реза уходит в стружку и инструмент плохо, и режущая кромка нагревается сильнее, чем при резании углеродистой стали. Поэтому нужна СОЖ или хотя бы обильный обдув, а стружку надо уводить из зоны реза.

Вязкость. Стружка длинная и сливная, она наматывается на фрезу и режет щёки паза. Фрезы с вышлифованными стружколомающими канавками и подача СОЖ под давлением решают проблему.

Справочные характеристики марок: 12Х18Н10Т, AISI 304, AISI 316 и сравнение 304 и 316. Все они собраны в группе нержавеющие стали.

Режимы: от скорости резания к оборотам

Скорость резания, обороты и подачу для нержавейки считают по тем же формулам, что для любого материала: n = 1000·vc / (π·D), подача стола = n × число зубьев × подача на зуб. Подробно о формулах — в статье режимы резания при фрезеровании. Ниже стартовые значения для твердосплавной четырёхзубой фрезы с покрытием по нержавейке, боковое фрезерование.

Значения — ориентиры для проб на жёстком станке с хорошей СОЖ. Реальный режим даёт производитель фрезы для конкретного покрытия и марки стали. Если стружка синеет и режет перчатку, значит скорость резания велика. Если слышен визг и на поверхности блестят полосы, значит подача мала.

Мощность и момент: почему шпиндель от дерева не подходит

Мощность резания считают по объёму снимаемого металла. Для нержавейки удельная сила резания порядка 2400 Н/мм² (ориентир; точное значение берут из справочника режимов или каталога инструмента). Мощность в ваттах равна объёму в мм³/мин, умноженному на удельную силу и делённому на 60 000.

Пример 1: боковой проход. Фреза 10 мм, глубина 10 мм, ширина 1 мм, подача 509 мм/мин. Объём 10 × 1 × 509 = 5093 мм³/мин. Мощность 5093 × 2400 / 60 000 ≈ 204 Вт. Обороты 3183 об/мин, угловая скорость 333 рад/с, момент около 0,61 Н·м.

Пример 2: паз за один проход. Та же фреза, глубина 3 мм, ширина паза 10 мм. Объём 3 × 10 × 509 = 15 279 мм³/мин, мощность около 611 Вт, момент 1,83 Н·м.

Теперь шпиндель. Быстроходные шпиндели от деревообрабатывающих станков, например 2,2 кВт на 24 000 об/мин, выдают номинальную мощность только на высоких оборотах. Момент у такого шпинделя постоянен: 2200 Вт при 24 000 об/мин (угловая скорость 2513 рад/с) дают 0,875 Н·м. На 3183 об/мин мощность упадёт примерно до 0,29 кВт, а момент останется 0,875 Н·м (при управлении от частотного преобразователя), и это больше первого примера, но вдвое меньше второго. Паз за один проход этот шпиндель не вытянет, а боковой проход будет идти на пределе: любое увеличение нагрузки заставит шпиндель терять обороты.

Отсюда практический вывод. Мощность в паспорте не говорит о способности резать сталь: смотрите на момент на рабочих оборотах и диапазон частот. Для нержавейки нужен шпиндель с постоянной мощностью в диапазоне 3000–8000 об/мин или с механической ступенью, как у станков по металлу.

В паспорте стоит смотреть и на число полюсов. Двухполюсный высокооборотный шпиндель хорош для алюминия и дерева, а для чёрного металла нужен многополюсный моментный, и опускать обороты обычного шпинделя ниже его рабочего диапазона нельзя: он перегреется.

Какой станок брать

У производителя вертикальные фрезерные станки Wattsan для металла (серия VMC) имеют шпиндели 3,7–15 кВт на 8000–10 000 об/мин и массу от 2100 до 13 000 кг, чугунные станины, системы управления Fanuc, GSK или Siemens. Для задач вроде нержавеющих кронштейнов и фланцев подходят модели от VMC 640 с бо́льшим шпинделем (5,5–7,5 кВт), а на VMC 855 с BT40 и шпинделем 11/15 кВт есть запас по моменту. У станков серии VMC указан объём бака СОЖ, например 180 л у VMC 866. Портальные фрезеры серии M1, предназначенные для дерева и мягких металлов, имеют опцию СОЖ, но по шпинделю и станине они рассчитаны на другие материалы, об этом см. фрезерование алюминия. Если вам нужен станок для металла и дерева на одной площадке, прочитайте разбор обрабатывающий центр или фрезерный станок.

Как строить траекторию

Отверстия диаметром больше 8 мм при отсутствии сверла нужного размера фрезеруют по спирали. Для резьбовых отверстий пользуйтесь калькулятором отверстия под резьбу.

Износ инструмента и брак

Износ нержавейкой идёт заметно быстрее, чем на углеродистой стали. Ориентир для замены фрезы — износ по задней поверхности 0,2–0,3 мм. Когда на деталях появляются блестящие полосы, растёт шум и усилие, фрезу меняют, не дожидаясь поломки.

Что делать, если станка для металла нет

Тонкий лист нержавейки до 1–2 мм и гравировку по нему на портальном фрезере иногда делают, но с жёстким ограничением по резу и ресурсу инструмента. Для листовых деталей по контуру выгоднее лазер: детали из нержавейки режут оптоволоконным станком, а фрезеровка остаётся для посадочных мест, пазов и резьб. О выборе между технологиями — в разделе лазерная резка и в статье фрезерный или токарный станок.