金属制造:制造金属零件指南

探索金属原型和生产部件的材料选择和制造技术

Take a walk to the nearest park or ball field and look down; that’s not just a bunch of rocks and dirt down there. 人类所知的每一种金属都来自地下的矿石和矿物. 对于一个制造业的人来说,云顶集团App下载脚下的所有东西都是震撼云顶集团App下载世界的东西. 双关语).

云顶集团App下载再走一遍,这一遍是元素周期表. 是的, 云顶集团App下载大多数人在高中化学课上都学过元素, 但可能有段时间了, 所以应该复习一下.

云顶集团App下载会放大其中的大部分. 氢, 氧气, 氩气对于焊工和霓虹灯制造商来说是令人兴奋的, 但除非云顶集团App下载在快步走完后气喘吁吁, 云顶集团App下载大多数人认为这是理所当然的. 没有硅和锗,计算机芯片制造商将需要新的工作岗位. 钚对炸弹制造商来说很重要,铅和氪对照明设备来说也很重要. 对其他人来说,元素是一个相当无聊的主题.

 

然而,在所有这些稀土和稀有气体之间的是金属. 铝、钛、铁和镍——这些都是现代社会的基石. 没有被困在地壳中的原材料, 以及将这些矿物提取和加工成各种合金的技术, 人类可能还住在草屋里,用木棍追逐食物. proolabs在其制造云顶集团游戏app中使用一系列金属. 这些可以分为硬的和软的, 栅栏的一边是钢和不锈钢等金属, 和黄铜, 铜, 镁, 铝在另一边. 这个清单上的最后一种——铝——是地壳中储量最丰富的金属, 第三种最常见的元素是氧和硅. 尽管它占地壳重量的8%, 铝很少以纯金属形式存在, 然而, 因为它的大部分被锁在铝土矿和其他矿石中.

软金属:铝,镁,黄铜和铜

单质铝柔软且可塑性强,因此在机械用途上并不理想. 而不是, 铝通常与其他元素的混合物混合在一起, 包括硅, 铜, 镁, 和锌, 然后热处理使其坚固, 轻型合金如今用于机身, 汽车, 以及各种消费品.

铝件用活模具进行发泡
在车床上加工的铝部件.

Protolabs的机械加工云顶集团游戏app用两种铝制造零件:6061-T651和7075-T651. t后缀表示如何处理材料, 在这种情况下,热处理后机械拉伸1 - 3%,以消除残余应力, 从而使其在加工时更加稳定. 铝与镁和硅合金, 在它锻造的形式下,能提供40的屈服强度,000 psi或以上. 它是非常耐腐蚀和焊接,给予适当的设备, 使其成为低疲劳应用的理想选择,如机械结构部件, 液压阀的身体, 海洋, 和汽车零部件, 以及大多数需要健壮的应用程序, 轻质材料.

Protolabs铝马厩里的另一匹马是7075铝. 比6061更硬、更强, 它的屈服强度几乎是其不那么强劲的表亲的两倍, 但成本几乎是它的三倍. 它的主要合金元素是锌、镁和铜. 美国军方的许多武器都使用7075, 由锻造的7075铝制成的连杆用于顶部的燃料dragster, 波音飞机的翼梁是由7075制成的. 它是坚硬的物质. 事实上, 6061唯一胜出的地方是耐腐蚀性, 在那些需要更多“付出”的部分,而不是7075. 这两种材料都易于加工,尽管7075有点磨蚀.

表面粗糙的镁触压铸件
镁合金触压成型零件前后处理.

另一种流行的轻质材料是镁, 地壳中含量第四的元素是什么. 它的重量是6061的三分之二,几乎和6061一样坚固,是所有结构金属中最轻的. 相机和手机机身, 电动工具架制造技术, 笔记本电脑的底盘,镁是首选的材料,良好的强度和低重量是重要的. 为了提高燃油效率, 汽车制造商在传动箱中广泛使用镁, 座椅骨架, 和进气歧管.

镁最常与铝和锌合金. 它具有优良的阻尼特性,可加工性好,易于模压或压铸.

除了镁的腐蚀敏感性, 另一个缺点是它在高温下的强度降低, 尽管大众汽车在其风冷式甲壳虫发动机的曲轴箱中成功地使用了镁,已有50多年的历史. 合理定价, 它比铝贵, 但这在很大程度上被制造镁组件的相对容易所缓解. 请注意,proolabs不再生产镁部件.

航空航天用机加工铜零件
由铜加工而成的航空部件.

柔软的金属阵容是黄铜和铜,这是金属家族的亲兄弟. 的两个, 黄铜是目前为止最通用的. 除了氨和一些酸含量高的环境, 它具有极强的耐候性和耐腐蚀性. 如果你换过汽车散热器, 焊接厨房的水龙头, 或者吹奏法国号, 你用过黄铜做的零件.

proolabs提供的零件由C260弹壳黄铜加工而成,这是长期以来最受欢迎的弹壳. 它含有70%的铜和30%的锌, 并被认为是所有黄铜合金中用途最广泛的. 黄铜有几十种等级,但都有细微的差别和不同的用途. 将铜的比例降低几个百分点,就可以生产出适合于铆钉和螺钉的黄铜. 再削减一点, 加一点铁, 你创造了蒙兹金属, 适合建筑装饰和船底衬里. 增加铜含量, 加入一些锰和一撮镍, 你拥有萨卡加维亚一美元硬币的气质. 布拉斯是终极切换击球手.

一个机械师, 黄铜是很容易,因为它来:冷却剂是可选的, 刀具寿命异常, 而且摄食速率相当高. 不要让它的随和的本性欺骗了你, 然而,黄铜是坚固的材料, 抗拉强度可与低碳钢媲美. 具有讽刺意味的是,铜的情况则大不相同. 尽管它是黄铜的主要成分, 非合金铜的可加工性大约差五倍, 即使是最有耐心的机械师也会避免使用铜,因为铜很坚硬, 纤维的性质. 芯片实际上是不可能被打破的, 由于其高导热性, 材料在切割过程中升温很快.

铜的导电性仅次于银, 这一因素使它成为当今最重要的金属之一. 铜(和铝)线基本上使电力成为可能. 没有它, 灯将保持不亮, 汽车无法开动,也无法调制冰冻的玛格丽塔鸡尾酒.

在车床上加工的圆柱形黄铜部件
圆柱形设计通常在车床上加工.

铜容易钎焊,但难于焊接. 它极度的延展性使它既坚固又柔韧,这在金属中是罕见的. 然而,铜的作用远不止为云顶集团App下载的烤架提供热能. 它被用作半导体制造中的高温超导元件, 如真空管用的玻璃-金属密封, 甚至已经被美国环保署批准用于医院和公共场所的抗菌表面.

因为单质铜存在于自然界中, 几千年前,人们第一次把它砸成硬币和餐具. 今天, 它是570多种不同金属合金的原料, 黄铜弹匣就是其中之一. 碲铜,镍铜,青铜,炮金属,铝和钢合金-名单继续. 铜也可用于电火花加工(EDM)中的电极。, 一种在注射成型和金属冲压中常见的技术. 在现代世界,铜的确是王者.

硬金属:钢,不锈钢,铬镍铁合金,铬和钛

世界也需要硬金属. 从汽车到游船,从电缆到可调扳手,钢铁被广泛使用. 钢不论什么合金类型,大部分是由铁组成的. 铁冶炼和有限的钢铁制造已经使用了数千年, 但直到贝塞麦炼钢过程, 发明于19世纪中期, 高质量钢的大规模生产成为可能. 工业革命就这样开始了.

采用不锈钢齿轮前后喷砂
不锈钢齿轮喷砂前后.

就像软金属一样, 少量的合金元素可以对钢的性能产生戏剧性的影响——添加不到1%的碳和锰, 再加上一点冶金戏法, 是什么使易碎的铁变成坚硬的1018钢. 4140合金钢, 适合飞机使用, 是用等量的铬加上少量的钼制成的吗.

像这样的碳钢可以在某种程度上硬化,而且很容易焊接. 只有一个问题:它们会生锈, 使电镀或油漆成为涉及碳钢的大多数应用的要求.

300 -系列 不锈钢 proolabs提供的产品含有至少20%的铬和相当数量的镍, 使它们更难加工. 仍然, 这些常用材料通常用于医疗器械, 真空和压力容器, 并用于食品和饮料设备. 300系列不锈钢非常坚硬,但不能像碳钢那样硬化. 如果硬度是您的应用程序的要求,考虑将其踢到17-4 PH值的缺口.

由DMLS建造的复杂钛原型.
金属3D打印可以支持复杂的几何形状,如有机结构和空心零件.

这种多功能但非常坚硬的材料含有镍、铬和铜. 虽然被认为是不锈钢家族的一部分, 其退火状态下的切削性能接近高温合金状态. 当热处理, 硬度45rc,抗拉强度150,000psi或更高, 是碳钢的三倍. 它在医学上最常用, 航空航天, 和核行业, 或任何需要高强度和良好耐蚀性结合的地方.

由于铁锈永不生锈,冶金学家发明了不锈钢. 通过增加铬的含量到至少10.5%,耐腐蚀性大大提高. 不锈钢在化学工业中得到广泛应用, 纺织加工, 对于海事应用. 许多不锈钢也是耐高温的, 并且能够承受2摄氏度以上的高温,700华氏度, 热到足以使铝转动, 黄铜和铜变成熔化的水坑. 316不锈钢, 例如, 是否适用于热交换器, 在汽轮机和排气歧管中经常使用.

如果你正在寻找一些真正坚固的合金,看看钴铬和铬镍铁合金吧. proolabs不加工这些材料, 但它的3D打印云顶集团游戏app很乐意通过直接金属激光烧结(DMLS)工艺为您烧结它们. 每种材料都具有独特的高性能性能.

铬镍铁合金含有50%或更多的镍, 使其在不同温度下都具有极佳的强度. 它被用于极端需求,如燃气轮机叶片, 喷气发动机压缩机圆盘, 甚至还有核反应堆和喷气发动机燃烧室. 铬镍铁合金的高镍含量使其成为最难加工的材料之一, 要求耐磨涂层硬质合金和刚性机床. 在元素周期表上,钴紧挨着镍, 钴铬合金的主要成分. 这种材料以极好的耐磨性和人体生物相容性而闻名, 这使得它成为种植牙齿的理想材料, 髋关节和膝关节置换手术, 和动脉支架.

最后,还有钛. 这种轻质元素是由铝和钒合金制成的, 提供一个强大的, 耐蚀材料. 像钴铬, 钛具有生物相容性,广泛用于骨螺钉, 针, 和盘子. 它的抗拉强度大约是低碳钢的两倍,但重量只有碳钢的一半. 这使得钛对航空航天工业和高性能汽车制造商具有吸引力.


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数控加工:金属制造基础

冶金——这是一个很酷的话题,对吧? 正如云顶集团App下载所看到的,十几种原始元素提供了数百种重要的、改变生活的材料. 然而,如果不进行加工,这些金属都不值一分钱. 其中最主要的是机械加工,它与钢铁加工同步发展. 在过去的150年, 机床已经从简陋的滑轮和蒸汽驱动装置发展到高科技, 当今超精密计算机数控(CNC)设备.

proolabs雇佣了一支名副其实的此类机床大军, 一个有几百人, 站在准备 机自定义部分 从刚才讨论的大部分材料来看. 其中最主要的是加工中心, 哪些是通过旋转切削工具如立铣刀或钻头来去除材料的. 工件被夹在虎钳或类似的夹紧装置中,并在一个或多个针对刀具的轴上移动, 因此创造了复杂的几何图形. 五轴加工中心可以同时使用所有轴生成膝关节和螺旋桨中常见的自由形状, 或索引机器多面工件在一个夹紧.

proolabs的一排数控铣床
proolabs的一排数控铣床

数控车床使用卡盘或夹头,以抓住工件和旋转它对一个固定的刀具. 需要切割一套烛台支架或一个花园软管配件? 车床可以使这些零件和更多的零件快速加工. Mill-turn机器, 像Protolabs使用, 通过增加旋转工具和次级主轴,车床又向前迈进了一步, 消除了曾经的二次加工操作.

铸造和模塑:增加金属制造的体积

对于大批量生产,机加工的零件通常要过渡到铸造或成型工艺. 金属注射成型, 或MIM, 是用镍钢等金属粉末的工艺吗, 316不锈钢, PH值17-4或铬钼与蜡和热塑性塑料组成的粘合剂混合.

 

一种金属注射成型烧结炉
一个用于金属注射成型的烧结炉等待一批零件.

经过仔细测量的合成原料的数量被预热到几百度,然后在压力下“射出”到模具型腔中, 以一种类似于注射成型的方式.

几秒钟后, 绿色的部分被弹出并送到粘结炉, 大部分的塑料粘合剂是在哪里通过硝酸去除的. 在这一点上, 棕色的部分有些易碎, 必须轻轻运输并放入烧结炉, 然后它们被加热到比基材的熔化温度稍低的温度.

MIM生产完全致密,接近净形的零件. 可预测的收缩幅度为20%, 给点或少点, 给出正确的部分, 公差+/- 0.010 in. 是有可能的. 最后一点很重要, 由于工件形状必须适合于注射成形,否则它将无法经受粘结和烧结过程. 一个小齿轮, 例如, 会是MIM的优秀候选人吗, 但是,如果没有内置的关键支撑,圆顶形状的部件最终会比被撞死的物体更平坦. 正确的零件和模具设计对注射成形的成功同样至关重要.

金属注塑件后期加工
MIM零件必须经过多步加工才能完全致密.

在一个类似的过程中,触压成型被用来生产镁零件. 不像MIM,它不依赖于粘合剂或多步骤处理. 而不是, 镁在惰性气体(通常是氩气)中加热,直到变成半固态, 然后被压入模腔. 注射过程的压力使材料变得不那么粘滞,因此触模零件可以比压铸零件有更薄的壁和更精细的细节. 复杂的形状是可能的,没有任何收缩或翘曲的MIM的担忧.

实际上,触压成型只有一个限制:零件必须用镁制成. 但对于许多汽车和消费者应用, 无论如何,这都是我选择的材料, 使触塑成为轻量级的一个极好的选择, 准确的, 和具有成本效益的组件.

金属3D打印复杂几何

对于无法通过前面讨论过的任何方法制造的零件,有 直接金属激光烧结增材制造工艺. DMLS大胆地进入了其他制造工艺无法进入的领域. 像它的塑料同类一样,选择性激光烧结(SLS), 它使用激光将尼龙粉末熔合成几乎任何你能想到的形状, DMLS在铝等金属中也取得了类似的效果, 钴铬合金, 铬镍铁合金, 不锈钢, 和钛.

proolabs的金属3D打印机器
一排工业级的机器,用于直接的金属激光烧结.

像大多数添加过程一样,DMLS从下往上构建部件,就像蛋糕层一样. 它从一个3D CAD模型开始,这个模型被分成大约为0的层.001 in. 厚. 然后,激光将CAD模型的每一个组织薄片“绘制”在金属粉末层上, 一个是面粉的稠度. 当激光经过时, 金属颗粒被熔化,熔化到它们的邻居, 制造出与钢铁厂生产的金属具有相同机械性能的金属. 随着每一层的完成, 橡胶刀片将额外的材料拉过正在加工的零件,激光就可以回去工作了, 连续地将每一层融合到它的前一层. 几个小时后,完成的部分出现了.

公差+/- 0.003 in. ddmls通常是可能的吗, 连同部分特征小于句点在这句话的结尾. 因为涉及到很高的温度, 小支柱往往需要支持工件在构建过程中,并防止翘曲后加工是必要的移除这些支持. 也, 因为表面粗糙度与铸件的表面粗糙度相当, 在Ra中约有200-400µ, 可能需要进行一些二次抛光或机械加工.

由洛克希德·马丁公司设计的钣金零件
钣金制造经常用于制造外壳、托架、底盘等.

金属板材料

proolabs提供最受欢迎的金属薄板, 从碳钢到冷轧钢(CRS), 镀锌, 和galvanneal, 对不锈钢, 铝, 铜, 和黄铜. 每一种都有其独特的品质,你选择它们的原因可能从美观到耐腐蚀.

CRS金属板
与热轧钢的工艺相似,冷轧钢还要经过一个额外的工艺. 在通过轧辊进行额外的压缩后,在室温下进行第二次轧制. 使用这种方法大大增加了硬度,但降低了延展性. CRS适用于需要在室温下成形的零件,它也具有很高的可焊接性和涂漆性. CRS通常涂上一层油,以提高耐腐蚀性.

镀锌和镀锌钢板
看过室内风管的人都很熟悉镀锌钢板上闪闪发光的图案. 高度耐腐蚀, 镀锌钢和镀锌钢的初始过程相同,都是将金属浸入华氏850度的锌液中. 但区别从这里开始. 镀锌钢在母钢的基础上增加了第二个加工步骤, 将镀锌钢板放入1050华氏度的退火炉中,把铁吸到钢板表面,使其与保护性的锌涂层结合. 这使产品表面看起来更光滑,更耐腐蚀. 两者都很容易成形,但galvanneal的表面更容易着色.  如果你想要更工业的外观,镀锌可能是你的选择. 如果外观和可着色性很重要,那么galvanneal就是一个合适的人选.

不锈钢板材
不锈钢无处不在——电器、水槽和用于酿造啤酒的大酒缸! 表面光洁度可以从刷过到光滑不等, 但无论你选择哪一种,你都会得到一个高度耐腐蚀和染色的表面, 即使暴露在酸性化合物中. 这使得它在实验室中也很受欢迎. 不锈钢的魔力来自于铬和镍的结合,创造了这种耐用的金属合金. 云顶集团App下载提供304和316不锈钢. 如果腐蚀是一个问题, 您可能想要316不锈钢, 虽然有点贵. 在316中添加钼使其更适合具有挑战性的情况, 特别是户外和海上使用.

铝金属板
铝有很多优势. 它重量轻,坚固,耐腐蚀,无磁性,高度成形. 它还散热良好,非常吸引人, 在云顶集团App下载的5052和6061品种的半光滑表面. 您应该使用哪一个取决于您的应用程序. 5052是钣金应用的最佳选择,因为6061有时在成形过程中出现裂纹. 弯曲在6061是相当少的崎岖,你将不得不补偿较大的弯曲半径,以确保结构的完整性, 这在你的设计中可能并不理想. 也就是说,对于平面部件,6061是一个明智的选择.

铜金属板
proolabs有两种形式的铜板金属,C101和C110. 两者都以其导电性而闻名, 有光泽的完成, 由于暴露在自然环境中,表面会慢慢形成美丽的蓝绿色铜绿, 特别是在盐水和工业环境中. 尽管如此,铜的耐腐蚀性还是很高的. C101, 也叫无氧铜, 经常用于工程应用和高度成形. C110常用于管道配件, 由于它的高导电性(只有银的导电性更好), 用于电子产品. C110不建议在乙炔,氨,硝酸,汞或汞盐周围使用.

铜金属板
在铜中加入锌,得到的合金就是黄铜. CDA260, 云顶集团App下载在Protolabs使用的各种黄铜金属板, 是70%的铜和30%的锌吗. 黄铜具有很高的耐腐蚀性, 就像它的母体铜一样, 它看起来很棒,很容易成形. 它广泛应用于船舶应用和电子元件.

金属后处理方法

二次操作在许多制造过程中是常见的,特别是金属零件. 热处理提高了强度,消除了在原材料加工和重型机械加工过程中产生的内应力. 像1018这样的碳钢可以通过氮化或渗碳进行表面硬化, 通过淬火回火方法,4140很容易达到50 Rc或更硬. 正如前面所提到的, 17-4 PH值可以做得相当难, 一些400系列不锈钢也可以, 但300系列不锈钢只能通过冷加工或模具拉拔进行硬化. 软金属如铝和镁永远不会变硬, 尽管它们可以低温减压或通过低温热“老化”.

零件碾磨时与冲砂时的比较
对加工过的零件喷砂可以去除毛刺,提高零件表面光洁度.

表面处理是另一种常见的后加工工艺. 铝通常是阳极化的,使它在阳光下的任何颜色的表面都具有抗刮伤性. 对于非装饰性的保护,化学薄膜或铬酸盐是一个很好的选择. 这些方法也适用于镁,尽管需要不同的化学物质. 铜和黄铜接触氧气会变色, 因此,如果需要保护,可以采用化学镀镍或镀铬. 不锈钢和高温合金不需要这样的保护, 但钢一般是给予黑色氧化表面处理, 或者镀镍, 镉, 锌, 和其他材料. 绘画也是一个受欢迎的选择, 但为了提供清洁,建议采用珠状喷砂或其他形式的磨料制备, 涂装前表面无锈蚀.

proolabs的机械加工云顶集团游戏app提供喷砂和滚磨,以去除毛刺,并使加工表面具有统一的外观, 它为DMLS零件提供的3D打印云顶集团游戏app也是如此. 珠爆破, 顾名思义, 使用高压流的颗粒,如沙子或玻璃珠,以平滑锋利的边缘和去除毛刺. 翻滚使用小的陶瓷或塑料介质在一个翻滚碗达到同样的效果. 通常情况下,在proolabs的标准交货时间内,可以使零件珠喷砂和翻滚, 然而, 这些流程可能会使产品在其他地方的交付时间增加几个小时到一个星期或更长时间. 在大多数情况下, 客户可以对零件进行电镀, 在实验结束后立即在实验室外进行油漆或阳极化处理, 如果他们选择.

在原始实验室平衡材料和工艺

proolabs提供各种硬和软金属,以满足您的零件制造需求. 钢和不锈钢, 钴铬合金和铬镍铁合金, 有色金属材料,比如铝和铜——无论你在做什么, 这些材料涵盖了绝大部分的物理和化学需求. 将这些金属与几种不同的传统加工工艺结合在一起,以满足小批量生产的需求, 几乎任何你能想到的事情都是可能的. 对于不可能的,金属激光烧结将大多数CAD模型变成现实.

这些都是一些相当高的声明,现在这里是附属细则. 零件由proolabs的3D打印, 金属板制造, 加工过程有最小和最大尺寸限制. 由于零件信封在Protolabs不断扩大, 请查看在协议实验室在线列出的每个工艺的设计指南.com.

对于加工零件,壁厚小于0.020 in. 也不可取,加工深度不应大于2 in. 从任何给定的方面. 零件公差+/-0.005 in. 是典型的. 目前,钴铬合金和铬镍铁合金不是proolabs的机械加工候选产品.

直接金属激光烧结可以用前面提到的许多材料生产零件, 并加入钴铬和铬镍铁合金. proolabs的DMLS功能包括两个精度级别:普通分辨率和高分辨率. 每一种都可以实现非常薄的层厚度和最小特征尺寸, 定期改进可以在在线实验室找到的功能.com. 使用DMLS制造的零件通常需要额外的工艺来提高表面光洁度, 以及研磨或加工,以去除在构建过程中创建的部分支持.

当然,离开proolabs后,有些零件可能需要额外的加工. 快速的周转和有竞争力的价格意味着proolabs不是一个万能的解决方案. 方形内角可能需要电火花加工, 紧公差孔可能需要镗孔, 外径和表面可以磨或研磨. 尽管有这些限制, proolabs生产一次性和小批量金属零件的速度比周围任何人都快, 在一系列的材料,以适应云顶集团App下载的大多数客户的要求.

proolabs还可以加工数十种塑料材料, 以及数百种可塑热塑性塑料和液态硅橡胶材料. 不管你的项目是什么, 云顶集团App下载提供的材料, 一套制造云顶集团游戏app——3d打印, 数控加工, 金属板制造, 以及注塑成型和定价设计,以满足您的零件制造需求.