La selección de materiales es donde se decide la mayor parte del costo, pero rara vez es donde se dedica la mayor atención a la ingeniería.Un equipo pasará tres semanas optimizando un modelo CAD y treinta minutos escogiendo el material, entonces se preguntan por qué la cotización por pieza vuelve 60 por ciento más alto de lo esperado o por qué el primer lote falla en las pruebas de campo.
El material que usted especifique determina la rapidez con que la máquina puede cortar, cuántas herramientas puede quemar, cuánto tiempo toma la instalación y cómo funciona la pieza terminada en su entorno de servicio.Si lo haces bien, el mecanizado es rápido.Si te equivocas y ninguna cantidad de optimización de programación o inteligencia de fijación recupera el costo.
Esta guía cubre todos los principales materiales de mecanizado CNC en metales, plásticos de ingeniería y aleaciones especiales.y las aplicaciones donde realmente perteneceAl final, tendrá un marco claro y basado en datos para elegir el material adecuado antes de la cotización, no después de ella.
| Respuesta rápidaLos materiales CNC más mecanizables son el aluminio 6061-T6 (más fácil, más barato), latón C360 y Delrin POM. Los materiales de mecanizabilidad de gama media incluyen acero inoxidable 304, acero suave y ABS.Materiales difíciles que requieren alimentaciones lentasEn el caso de los materiales de aluminio, los materiales de aluminio y de aluminio de aluminio, incluidos los materiales de aluminio y de aluminio, con herramientas especializadas y un mayor coste por pieza, incluyen el titanio Ti-6Al-4V, Inconel 625 y PEEK.temperaturaNunca elija el material solo por su maquinabilidad si la aplicación exige una propiedad de rendimiento específica. |
¿Qué significa realmente la maquinabilidad, y por qué aumenta los costos?
La maquinabilidad es la relativa facilidad con la que se puede cortar un material para producir una pieza dimensionalmente precisa con un acabado de superficie aceptable, a una vida útil y velocidad de corte razonables de la herramienta.No es una propiedad única.Es el resultado combinado de la dureza de un material, la conductividad térmica, el comportamiento de formación de astillas, la tendencia al endurecimiento del trabajo y la abrasividad.
¿Por qué las unidades de maquinaria cuestan directamente: un material de alta maquinaria como el aluminio 6061 permite velocidades de corte de 300 a 600 metros por minuto con herramientas de carburo estándar,Producción de miles de piezas por herramienta antes de su sustituciónUn material de baja maquinabilidad como el Inconel 625 requiere velocidades de corte inferiores a 30 metros por minuto, consume herramientas a una velocidad de 20 a 50 veces mayor y exige mucho más tiempo de maquina por pieza.La misma geometría en Inconel cuesta de 8 a 15 veces más para la máquina que en el aluminio, incluso antes de tener en cuenta las diferencias de precios de las materias primas.
Las clasificaciones de maquinabilidad de los metales se expresan típicamente como un porcentaje en relación con el acero de mecanizado libre AISI 1112, al que se le asigna un valor de referencia del 100%.Los materiales superiores a 100 son más fáciles de mecanizar que el acero de referenciaLos materiales inferiores a 100 son más duros.Las demás:Coloque las aleaciones de aluminio en un 300 a 1.500 por ciento, latón en un 200 por ciento, acero suave en un 65 por ciento, acero inoxidable 304 en un 45 a 50 por ciento, titanio de grado 5 en un 22 por ciento,y Inconel 625 en un 8 a 12 por cientoEstos números le dicen, antes de que un solo chip sea cortado, cómo el costo de la pieza se escalará en relación con su elección de material de base.
¿Cómo se comparan los metales CNC más comunes en maquinabilidad, resistencia y costo?
La tabla siguiente cubre los doce metales más frecuentemente especificados para el mecanizado CNC. Las propiedades reflejan valores típicos para la temperatura o el grado más común utilizados en la producción CNC.El coste relativo se indexa en el aluminio 6061-T6 como punto de referencia 1.0x.
Los multiplicadores de costes del cuadro anterior tienen en cuenta el precio de las materias primas, el tiempo de mecanizado (determinado por la maquinabilidad y la velocidad de corte) y el consumo de herramientas.Una pieza de titanio de grado 5 que tarda 2 horas en mecanizarse en aluminio puede tardar de 8 a 12 horas en titanio con una frecuencia de cambio de herramienta significativamente mayorEsa relación, no el precio de la materia prima por sí sola, es lo que impulsa el diferencial de costo de la pieza final.
¿Qué metal debe elegir para su pieza CNC?
Aluminio 6061-T6: la opción predeterminada
El aluminio 6061-T6 es el material de mecanizado CNC más especificado en el mundo, y por una buena razón.500 por ciento en relación con el acero de mecanizado libre significa herramientas duran mucho tiempo, los tiempos de ciclo son cortos, y los acabados superficiales de Ra 0,8 a 1,6 μm se pueden lograr sin esfuerzo heroico.La resistencia a la tracción de 310 MPa y la resistencia al rendimiento de 276 MPa cubren los requisitos estructurales de la gran mayoría de los recintos, soportes, carcasas y componentes estructurales en el sector aeroespacial, automotriz, electrónica de consumo y equipos industriales.
La conductividad térmica de 167 W/m·K lo convierte en la primera opción para disipadores de calor y componentes de gestión térmica.y se soldan fácilmente.Si usted no ha identificado una propiedad específica que 6061 no puede entregar, 6061 es su material.
Aluminio 7075-T6: Cuando la fuerza debe aumentar
Cuando 6061 no puede cumplir con los requisitos estructurales, 7075-T6 es la siguiente llamada.casi el doble de fuerte que el 6061 a temperatura T6Esto le da una posición dominante en componentes estructurales aeroespaciales, marcos de bicicletas de alto rendimiento y hardware de defensa donde el peso es la restricción más dura y la fuerza no puede ser comprometida.
Las compensaciones son reales. 7075 cuesta de 2,0 a 3,0 veces más que 6061 solo en materia prima.Es efectivamente no soldable para propósitos estructurales debido a la corrosión por tensión en las zonas afectadas por el calor de la soldaduraSu resistencia a la corrosión es inferior a la del 6061, lo que requiere anodización o pintura protectora en entornos exteriores o marinos.Especificar 7075 sólo cuando la resistencia de rendimiento realmente exceda de 6061 ̊s 276 MPa límite para su aplicaciónEspecificarlo por instinto en piezas que 6061 maneja cómodamente es uno de los errores de selección de material más comunes y costosos en la fabricación de precisión.
Acero inoxidable 304 vs. 316L: el medio ambiente decide
Tanto el 304 como el 316L son aceros inoxidables austeníticos con propiedades mecánicas casi idénticas: resistencia a la tracción alrededor de 515 MPa, buena dureza a temperaturas criogénicas,y comportamiento no magnético en el estado recocidoLa diferencia entre ellos es totalmente la resistencia a la corrosión, impulsada por el contenido de molibdeno de 2 a 3 por ciento de 316L ̊s.Ese molibdeno eleva el número equivalente de resistencia a los agujeros (PRE) de 18 en 304 a 26 en 316L., una mejora del 44 por ciento en la resistencia al ataque de cloruro.
Usar 304 cuando la pieza funcione en ambientes interiores o no clorados: equipos de cocina, equipos arquitectónicos interiores, tanques de almacenamiento de líquidos para líquidos no corrosivos y soportes industriales generales.Utilice 316L cuando los cloruros estén presentes en cualquier lugar del entorno de servicio: hardware marino, dispositivos médicos que entran en contacto con soluciones salinas o productos químicos de esterilización, equipos de procesamiento químico,y estructuras al aire libre costerasEl costo de las materias primas para el 316L es de 30 a 40 por ciento sobre el 304.ya que ambos grados trabajan con dureza a tasas similares y la máquina a aproximadamente el 45 al 50 por ciento de la velocidad de mecanizado libre de acero.
Titanio Ti-6Al-4V (grado 5): Rendimiento a un precio
El titanio de grado 5 ofrece una resistencia específica (resistencia dividida por densidad) que ningún otro metal comúnmente mecanizado iguala.alcanza el rendimiento estructural de muchos aceros al 45 por ciento del pesoCombinado con la resistencia a la corrosión que el titanio mantiene en el agua de mar, ácido nítrico concentrado y entornos biológicos sin ningún tratamiento de superficie,Es la opción obligatoria para los implantes médicos permanentes, componentes estructurales aeroespaciales de peso crítico y piezas de deportes de motor de alto rendimiento.
Las máquinas de Ti-6Al-4V, a un ritmo relativo del 22% del acero de mecanizado libre, requieren velocidades de corte lentas (normalmente de 30 a 60 metros por minuto),genera un calor significativo en la interfaz herramienta-chip que debe gestionarse con estrategias agresivas de refrigeranteUna pieza que cuesta USD 50 a máquina en aluminio 6061 puede costar USD 300 a USD 600 o más en titanio grado 5.Dicha prima está justificada cuando la solicitud realmente la requiereEs injustificado, y común, cuando los ingenieros deciden por defecto utilizar titanio por prestigio en lugar de necesidad.Las demás:.
Inconel 625 y 718: Sólo para uso en entornos extremos
Las aleaciones de inconel son super aleaciones de níquel-cromo que conservan sus propiedades mecánicas a temperaturas en las que el aluminio se ha fundido y el acero se ha ablandado.El inconel 625 mantiene su resistencia útil hasta 980 grados centígradosEl inconel 718, con su mayor contenido de aluminio y titanio, alcanza resistencias a la tracción superiores a 1.375 MPa después del tratamiento térmico de envejecimiento, manteniendo la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas.Estas propiedades los convierten en la única opción viable para los componentes de la sección caliente de las turbinas de gas, discos de motores a reacción, boquillas de motores de cohetes y equipos de petróleo y gas submarinos donde la presión, la temperatura y la corrosión se combinan.
Las máquinas Inconel 625 a un 8 a 12 por ciento de la tasa de acero de mecanizado libre, requieren carburos o herramientas cerámicas de primera calidad y exigen refrigerante de inundación en todo momento.El coste de mecanizado en relación con el aluminio es de 12 a 20 veces más alto para 625 y de 15 a 25 veces más alto para 718Estos materiales pertenecen a diseños en los que ninguna otra aleación sobrevive a la condición de servicio. No pertenecen a ningún diseño en el que un material más barato pueda cumplir con la especificación.
¿Cómo se comparan los plásticos de ingeniería con los materiales de mecanizado CNC?
Los plásticos de ingeniería se han convertido en una categoría importante en el mecanizado CNC de precisión.resistencia químicaSu maquinabilidad es generalmente excelente, pero presentan desafíos diferentes a los metales:acumulación de calor por mala conductividad térmica, fusión superficial a altas velocidades de corte, inestabilidad dimensional por absorción de humedad y problemas de control de las astillas en algunos grados.
Delrin (POM): El plástico de precisión
Delrin, el nombre comercial del acetalo de polioximetileno (POM), es lo más cercano a un plástico de ingeniería predeterminado para el mecanizado CNC de precisión.Bajo coeficiente de expansión térmica, absorción mínima de humedad y formación de chips limpios que permiten tolerancias de 0,05 mm o mejor en las características mecanizadas.Su bajo coeficiente de fricción y su excelente resistencia al desgaste lo convierten en la opción estándar para engranajes de precisiónEl coste es moderado y el mecanizado es rápido.Para cualquier aplicación en la que un plástico de ingeniería sea apropiado, evalúa a Delrin primero.
PEEK: la opción de alto rendimiento
PEEK (poliéter cetón éter) se encuentra en la parte superior de la jerarquía de plásticos de ingeniería.Combina una resistencia a la tracción de 100 MPa con temperaturas de funcionamiento continuas de hasta 250 grados centígrados y resistencia química a prácticamente todos los disolventes industrialesEn la fabricación de dispositivos médicos, la radiolucencia del PEEK (no aparece en los rayos X) es muy alta.Biocompatibilidad, y la capacidad de ser esterilizado repetidamente sin degradación lo convierten en el material estándar para implantes espinales, placas óseas y componentes de instrumentos quirúrgicos.El costo del material es de 10 a 20 veces el de Delrin., y el mecanizado requiere herramientas afiladas, alimentaciones conservadoras para evitar la acumulación de calor y un diseño cuidadoso de los accesorios para evitar la distorsión de la pieza.Especificar PEEK sólo cuando la aplicación realmente requiera sus propiedades de rendimientoCuando lo hace, no hay ningún otro sustituto de plástico mecanizable para él.
¿Cómo elegir el material de mecanizado CNC adecuado para su trabajo?
La selección de materiales sigue una jerarquía de restricciones, que se analizan en orden: primero la función, luego el entorno, luego los requisitos de tolerancia y acabado, luego la maquinabilidad y el costo.Invertir este orden es cómo los equipos terminan con partes sobre-diseñadas o de bajo rendimiento.
- Paso 1: Definir los requisitos mecánicos: resistencia a la tracción, resistencia al rendimiento, límite de fatiga, resistencia al impacto.se mueve a 7075No saltes al titanio porque una pieza es "estructural".
- Paso 2: Definir el entorno: rango de temperatura, medios corrosivos, exposición a los rayos UV, humedad y requisitos eléctricos.Si hay clorurosSi la pieza debe ser biocompatible para la implantación permanente, el titanio grado 5 o PEEK son sus candidatos.
- Paso 3: Definir las tolerancias y los requisitos de acabado de la superficie.Los materiales como PEEK e Inconel requieren un control de proceso más cuidadoso para lograr el mismo nivel de toleranciaSi su tolerancia es de 0,005 mm a través de múltiples caras, el material debe ser dimensionalmente estable bajo fuerzas de mecanizado y temperatura.
- Paso 4: Optimice la maquinabilidad dentro de su conjunto de restricciones.el que tiene la calificación de maquinabilidad más alta produce un menor costo por piezaEsto no es un compromiso, es una disciplina de ingeniería.
- Paso 5: Solicitar una revisión del DFM antes de finalizar. A 30-minute DFM conversation with Elite Mold Tech’s engineering team before the drawing is released can identify material substitutions that reduce cost by 20 to 40 percent without sacrificing any required performance property.
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Referencias autorizadas: datos de materiales de la ASM Internacional, normas de materiales de la ASTM Internacional.
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Preguntas frecuentes
¿Por qué el aluminio 6061 es el material de mecanizado CNC más común cuando hay opciones más fuertes disponibles?
El aluminio 6061-T6 domina el mecanizado CNC porque ofrece la mejor combinación de maquinabilidad, rendimiento mecánico, resistencia a la corrosión,y coste para la más amplia gama de aplicaciones industrialesSu índice de maquinabilidad de 1.500 por ciento en relación con el acero de mecanizado libre significa que las máquinas funcionan rápido, las herramientas duran mucho tiempo y los tiempos de ciclo se mantienen cortos.Su resistencia a la tracción de 310 MPa y su resistencia al rendimiento de 276 MPa cubren las necesidades estructurales de los recintos, soportes, carcasas, disipadores de calor y componentes estructurales en productos aeroespaciales, automotrices, electrónicos y de consumo.El hecho de que existen opciones más fuertes no los convierte en mejores opciones a menos que la caja de carga realmente exceda lo que 6061 puede manejarEspecificar 7075 o titanio para piezas que 6061 puede transportar cómodamente es una de las maneras más confiables de duplicar o triplicar su costo por pieza sin ningún beneficio funcional.
¿Cuál es la diferencia entre el acero inoxidable 304 y 316L para piezas mecanizadas CNC?
Las propiedades mecánicas del acero inoxidable 304 y 316L son casi idénticas: ambos tienen una resistencia a la tracción de alrededor de 515 MPa, ambos máquinas a aproximadamente el 45 por ciento de la velocidad de mecanizado libre del acero,y ambos son no magnéticos en el estado recocidoLa única diferencia significativa es la resistencia a la corrosión en ambientes de cloruro.que eleve su número equivalente de resistencia a las fendas de 18 (304) a 26 (316L), una mejora del 44 por ciento en la resistencia a la corrosión de las fendas y grietas cuando están presentes los cloruros.Aplicaciones de dispositivos médicos en los que los productos químicos de esterilización entran en contacto con la piezaEl precio de las materias primas para 316L sobre 304 es de aproximadamente 30 a 40 por ciento.Dado que el coste de mecanizado es casi idéntico, la prima total del coste de la pieza es típicamente del 15 al 25 por ciento.
¿Cuándo es el PEEK el plástico adecuado para una pieza mecanizada CNC, y cuándo es excesivo?
El PEEK es el material adecuado cuando un plástico de ingeniería debe soportar simultáneamente altas cargas mecánicas, temperaturas elevadas de servicio continuo por encima de 150 grados centígrados,exposición a sustancias químicas agresivas o agentes de esterilización, y requisitos de biocompatibilidad para aplicaciones médicas o de contacto con alimentos. Su resistencia a la tracción de 100 MPa, temperatura de funcionamiento continua de 250 grados Celsius,su resistencia a casi todos los disolventes industriales y ciclos de esterilización justifican su ventaja de 10 a 20 veces sobre el Delrin en aplicaciones donde esas propiedades son realmente requeridasEl PEEK es excesivo cuando una pieza funciona a temperatura ambiente en un entorno no corrosivo bajo cargas mecánicas moderadas.Delrin o policarbonato ofrece un rendimiento dimensional equivalente al 5 al 10 por ciento del costo del materialLa sobreespecificación PEEK más común se produce en componentes de dispositivos médicos que deben ser biocompatibles pero que nunca experimentan temperaturas elevadas o exposición química agresiva.donde UHMW-PE o Delrin funcionaría de manera idéntica por una fracción del costo.
¿Por qué el mecanizado del titanio cuesta mucho más que el mecanizado del aluminio?
La diferencia de costes entre el mecanizado del titanio y el aluminio tiene tres fuentes: velocidad de corte, vida útil de la herramienta y precio de la materia prima.Máquinas de corte de titanio Ti-6Al-4V con velocidades de corte de 30 a 60 metros por minutoLa diferencia de velocidad de 10 a 1 significa que el titanio tarda 10 veces más en fabricar la misma geometría.el titanio genera un calor significativo en la interfaz herramienta-chipEl precio de las materias primas añade una prima adicional de 5 a 8 veces sobre el aluminio.Cuando se combinan tiempos de ciclo más largosPor lo tanto, la Comisión concluye que el precio de venta de las piezas de titanio para el aluminio 6061 es el precio de venta de las piezas de titanio para el aluminio 6061.Esta prima está plenamente justificada en aplicaciones que requieren la resistencia específica del titanioEn el caso de los materiales más baratos que cumplen con las especificaciones, no se justifica en absoluto.
¿Pueden los plásticos de ingeniería reemplazar a los metales en las piezas mecánicas CNC estructurales?
En aplicaciones específicas, sí, pero la sustitución requiere una ingeniería cuidadosa en lugar de una suposición general de que los plásticos son más ligeros y más baratos.PEEK a una resistencia a la tracción de 100 MPa puede sustituir al aluminio 6061 en casos de carga en los que el aluminio de 310 MPa sería sobre-diseñado, especialmente cuando se requiere una reducción de peso más allá de la capacidad del aluminio y la geometría de la pieza permite secciones transversales más grandes.Delrin (POM) sustituye eficazmente el latón o el aluminio en las bujes, engranajes y componentes deslizantes donde el contacto metal-metal crea ruido, desgaste o molestias.Sustituyentes de policarbonato para el vidrio en cubiertas de protección transparentes y blindajes ópticos en los que la resistencia al impacto es importanteLo que los plásticos de ingeniería no pueden reemplazar es la combinación de alta resistencia, rigidez (módulo elástico),y la estabilidad térmica que el acero y el titanio proporcionan en los componentes estructurales portadores de cargaEl módulo elástico del PEEK es de aproximadamente 3,6 GPa.Una pieza PEEK que tenga los mismos requisitos de desviación que una pieza de aluminio necesita aproximadamente 19 veces el área de la sección transversal para lograr una rigidez equivalente, lo que suele hacer que la sustitución sea poco práctica para aplic