Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi vos outils d'usinage s'usent si rapidement ? Cet article se penche sur les propriétés essentielles et les types de matériaux utilisés pour les outils de coupe, et explique comment les progrès en matière de dureté, de ténacité et de résistance à la chaleur peuvent améliorer la durée de vie des outils et l'efficacité de l'usinage. Découvrez les caractéristiques et les applications des outils en diamant, en nitrure de bore cubique, en céramique, revêtus, en carbure et en acier rapide. À la fin, vous comprendrez comment le choix du bon matériau peut avoir un impact significatif sur vos opérations d'usinage.
Les équipements de traitement avancés et les outils CNC à haute performance permettent d'exploiter pleinement leurs performances et d'obtenir de bons résultats économiques.
Avec le développement rapide des matériaux pour outils, les propriétés physiques et mécaniques et les performances de coupe de divers nouveaux matériaux pour outils ont été considérablement améliorées, et le champ d'application n'a cessé de s'étendre.
La sélection des matériaux utilisés pour les outils de coupe influence considérablement la durée de vie de l'outil, l'efficacité de l'usinage, la qualité et les coûts. Au cours des opérations de coupe, les outils sont soumis à des conditions extrêmes, notamment des pressions élevées, des températures élevées, des frottements, des chocs et des vibrations. Par conséquent, les matériaux des outils de coupe doivent posséder les propriétés essentielles suivantes :
(1) Dureté et résistance à l'usure
La dureté du matériau de l'outil de coupe doit être supérieure à celle du matériau de la pièce à usiner, ce qui nécessite généralement un minimum de 60 HRC (échelle Rockwell C). En général, une dureté plus élevée est liée à une meilleure résistance à l'usure. Toutefois, il est essentiel d'équilibrer la dureté avec d'autres propriétés pour éviter la fragilité.
(2) Résistance et robustesse
Les matériaux des outils de coupe doivent présenter une résistance et une ténacité élevées pour supporter les forces de coupe, les chocs et les vibrations. Cette combinaison de propriétés permet d'éviter les fractures fragiles et l'écaillage de l'arête de l'outil, ce qui garantit des performances constantes et une durée de vie prolongée de l'outil. L'équilibre optimal entre résistance et ténacité varie en fonction de l'application d'usinage spécifique.
(3) Résistance à la chaleur
Une bonne résistance à la chaleur est essentielle pour que les matériaux des outils de coupe conservent leurs propriétés mécaniques aux températures élevées rencontrées lors de l'usinage. Cela comprend :
(4) Possibilité de traitement et viabilité économique
Le matériau de l'outil doit posséder des caractéristiques favorables à la fabrication et à l'entretien, notamment :
En outre, le matériau doit offrir un rapport performances/prix élevé, en conciliant des propriétés de coupe supérieures et un bon rapport coût/efficacité pour l'application envisagée.
(5) Stabilité chimique
Le matériau de l'outil doit résister aux réactions chimiques avec le matériau de la pièce et les fluides de coupe, afin d'éviter une dégradation prématurée de l'outil et de garantir une qualité d'usinage constante.
(6) Conductivité thermique
Une conductivité thermique adéquate permet de dissiper la chaleur de la zone de coupe, ce qui réduit les contraintes thermiques sur l'outil et la pièce à usiner, et permet éventuellement d'augmenter les vitesses de coupe.
Le diamant est un isomère du carbone, le matériau le plus dur jamais trouvé dans la nature.
Les outils de coupe en diamant ont une dureté élevée, une grande résistance à l'usure et une conductivité thermique élevée, et sont largement utilisés dans le traitement des métaux non ferreux et des métaux non ferreux.matériaux métalliques.
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Dans l'usinage à grande vitesse de l'aluminium et des alliages de silicium et d'aluminium, les outils diamantés sont les principaux outils d'usinage à grande vitesse. les types de coupe des outils difficiles à remplacer. Les outils diamantés peuvent atteindre une grande efficacité, une grande stabilité et une longue durée de vie, et ils sont indispensables dans les processus modernes d'usinage CNC.
Type de fraise diamantée
Coupeur de diamants naturels
Les diamants naturels sont utilisés comme outils de coupe depuis des centaines d'années. L'outil en diamant monocristallin naturel est finement affûté, et le bord peut être aiguisé de manière tranchante avec un rayon d'arête de coupe de 0,002 μm. La coupe ultrafine permet d'obtenir une précision extrêmement élevée de la pièce et une très faible consommation d'énergie. rugosité de la surface. C'est un outil d'usinage d'ultra-précision reconnu, idéal et irremplaçable.
Fraise diamantée PCD
Les diamants naturels sont chers. Le diamant largement utilisé dans l'usinage par enlèvement de copeaux est le diamant polycristallin (PCD). Depuis le début des années 1970, le diamant polycristallin (lame PCD) a été développé avec succès, et les outils en diamant naturel sont remplacés par le diamant polycristallin synthétique.
Les matières premières PCD sont abondantes et leur prix ne représente que quelques dixièmes à un dixième de celui du diamant naturel. Les outils en PCD ne peuvent pas produire des arêtes viveset la qualité de la surface de la pièce usinée n'est pas aussi bonne que celle du diamant naturel.
Actuellement, il n'est pas facile de fabriquer des plaquettes PCD avec des brise-copeaux dans l'industrie. Par conséquent, le PCD ne peut être utilisé que pour la découpe fine des métaux non ferreux et des non-métaux, et il est difficile d'obtenir une découpe miroir ultra-précise.
Fraise diamantée CVD
Depuis la fin des années 1970 et le début des années 1980, la technologie CVD du diamant est apparue au Japon. Le diamant CVD fait référence à la synthèse d'un film de diamant sur un substrat hétérogène (tel que carbure cémenté) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le diamant CVD a exactement la même structure et les mêmes propriétés que le diamant naturel.
Les performances du diamant CVD sont très proches de celles du diamant naturel. Il présente les avantages du diamant monocristallin naturel et du diamant polycristallin (PCD) et, dans une certaine mesure, en surmonte les inconvénients.
Caractéristiques de performance des outils de coupe diamantés
Dureté et résistance à l'usure extrêmement élevées
Le diamant naturel est la substance la plus dure que l'on puisse trouver dans la nature. Le diamant présente une très grande résistance à l'usure. Lors de l'usinage de matériaux très durs, la durée de vie des outils en diamant est 10 à 100 fois, voire des centaines de fois, celle des outils en carbure cémenté.
A un coefficient de frottement très faible
Le coefficient de frottement entre le diamant et certains métaux non ferreux est inférieur à celui d'autres outils. Le faible coefficient de frottement se traduit par une déformation plus faible pendant le traitement et une force de coupe réduite.
L'arête de coupe est très tranchante
L'arête de coupe de l'outil diamanté peut être affûtée. Les outils en diamant monocristallin naturel peuvent atteindre un tranchant aussi élevé que 0,002~0,008 μm pour la coupe ultra-mince et l'usinage ultra-précis.
Conductivité thermique élevée
La conductivité et la diffusivité thermiques du diamant sont élevées. Cela permet à la chaleur de coupe d'être facilement dissipée, ce qui se traduit par une température de coupe plus basse de l'outil.
a un coefficient de dilatation thermique plus faible
Le diamant a un coefficient de dilatation thermique plusieurs fois inférieur à celui du carbure cémenté. La faible variation de la taille de l'outil causée par la chaleur de coupe est particulièrement importante pour l'usinage de précision et d'ultra-précision, où la précision dimensionnelle est cruciale.
Application des outils diamantés
Les outils diamantés sont principalement utilisés pour la coupe fine et l'alésage de matériaux non ferreux et non métalliques à grande vitesse. Ils conviennent au traitement de divers matériaux non métalliques résistants à l'usure, tels que les ébauches en métallurgie des poudres FRP, les matériaux céramiques, etc., ainsi que de divers métaux non ferreux résistants à l'usure, tels que divers alliages de silicium et d'aluminium et la finition de métaux non ferreux.
Cependant, l'inconvénient des outils diamantés est leur faible stabilité thermique. Lorsque la température de coupe dépasse 700°C à 800°C, la dureté du diamant est complètement perdue. En outre, les outils en diamant ne conviennent pas à la coupe des métaux ferreux, car le diamant (carbone) peut facilement interagir avec les atomes de fer à des températures élevées, convertissant les atomes de carbone en structures de graphite, ce qui peut rendre l'outil extrêmement fragile.
Le deuxième matériau superdur, le nitrure de bore cubique (CBN), synthétisé par une méthode similaire à celle de la fabrication du diamant, n'a rien à envier à ce dernier en termes de dureté et de conductivité thermique.
Il présente une excellente stabilité thermique et ne s'oxyde pas lorsqu'il est chauffé à 10 000℃ dans une atmosphère.
Le CBN a des propriétés chimiques extrêmement stables pour les métaux ferreux et peut être largement utilisé dans le traitement des produits en acier.
Type d'outil en nitrure de bore cubique
Le nitrure de bore cubique (CBN) est une substance qui n'existe pas dans la nature.
Il en existe deux types : monocristallin et polycristallin, à savoir le CBN monocristallin et le nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN).
Le CBN est l'un des isomères du nitrure de bore (BN) et a une structure similaire à celle du diamant.
Le PCBN (nitrure de bore cubique polycristallin) est un matériau polycristallin dans lequel de fins matériaux CBN sont frittés ensemble par le biais d'une phase de liaison (TiC, TiN, Al, Ti, etc.) à haute température et à haute pression.
Il s'agit actuellement d'un matériau d'outillage qui utilise une dureté artificiellement synthétisée proche de celle du diamant.
Il est désigné collectivement comme un matériau d'outillage super-dur.
Le PCBN est principalement utilisé pour fabriquer des outils.
Les outils PCBN peuvent être divisés en plaquettes PCBN intégrales et en plaquettes composites PCBN frittées avec du carbure cémenté.
La lame composite PCBN est formée par le frittage d'une couche de PCBN de 0,5 à 1,0 mm d'épaisseur sur du carbure cémenté présentant une bonne résistance et une bonne ténacité.
Ses propriétés combinent une bonne ténacité, une dureté élevée et une résistance à l'usure.
Il résout les problèmes de faible résistance à la flexion et de soudure difficile des plaquettes CBN.
Principales propriétés et caractéristiques du nitrure de bore cubique
Bien que la dureté du nitrure de bore cubique soit légèrement inférieure à celle du diamant, elle est beaucoup plus élevée que celle d'autres matériaux de haute dureté.
L'avantage exceptionnel du CBN est que sa stabilité thermique est beaucoup plus élevée que celle du diamant, jusqu'à 1200 °C (contre 700-800 °C pour le diamant).
Un autre avantage remarquable est qu'il est chimiquement inerte et ne réagit pas chimiquement avec le fer à 1200-1300 °C.
Les principales caractéristiques de performance du nitrure de bore cubique sont les suivantes :
Dureté élevée et résistance à l'usure
La structure cristalline du CBN est similaire à celle du diamant et présente des caractéristiques comparables. dureté et résistance.
Le PCBN est particulièrement adapté à l'usinage de matériaux à dureté élevée qui ne peuvent être meulés auparavant, et il permet d'obtenir une qualité de surface supérieure de la pièce à usiner.
Haute stabilité thermique
La résistance à la chaleur du CBN peut atteindre 1400 à 1500℃, ce qui est presque deux fois plus élevé que la résistance à la chaleur du diamant (700 à 800℃).
Les outils PCBN peuvent couper des superalliages et des aciers trempés à des vitesses 3 à 5 fois supérieures à celles des outils en carbure.
Excellente stabilité chimique
Il ne joue pas de rôle chimique avec les matériaux à base de fer jusqu'à 1200-1300℃.
Il ne s'use pas aussi nettement que le diamant, tout en conservant la dureté du carbure cémenté.
Les outils PCBN conviennent au découpage de pièces en acier trempé et en fonte refroidie, et peuvent être largement utilisés pour le découpage à grande vitesse de la fonte.
Bonne conductivité thermique
Bien que la conductivité thermique du CBN ne soit pas comparable à celle du diamant, la conductivité thermique du PCBN dans divers matériaux d'outillage n'est surpassée que par celle du diamant, qui est beaucoup plus élevée que celle de l'acier rapide et de l'acier inoxydable. alliage dur.
A un coefficient de frottement plus faible
Un faible coefficient de frottement permet de réduire les efforts de coupe pendant la coupe, de réduire les températures de coupe et d'améliorer la qualité de la surface.
Application d'outils en nitrure de bore cubique
Le nitrure de bore cubique convient à la finition de matériaux difficiles à couper tels que l'acier trempé, la fonte dure, le superalliage, l'alliage dur et les matériaux pulvérisés en surface.
La précision de traitement peut atteindre IT5 (le trou est IT6), et la valeur de la rugosité de surface peut être aussi faible que Ra 1,25 à 0,20 μm.
Le matériau de l'outil en nitrure de bore cubique présente une ténacité et une résistance à la flexion médiocres. Par conséquent, les outils de tournage en nitrure de bore cubique ne conviennent pas à l'usinage grossier à faible vitesse et à forte charge d'impact. En outre, ils ne conviennent pas à l'usinage des matériaux plastiques (tels que les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre, les alliages à base de nickel, les aciers à forte plasticité, etc.), car l'usinage de ces métaux peut entraîner la formation d'une arête rapportée importante, qui peut détériorer la surface usinée.
Les couteaux en céramique présentent les caractéristiques suivantes : grande dureté, bonne résistance à l'usure, excellente résistance à la chaleur et stabilité chimique ; ils ne sont pas faciles à lier aux métaux.
Les outils en céramique jouent un rôle important dans l'usinage CNC et sont devenus l'un des principaux outils pour la coupe à grande vitesse et les matériaux difficiles à usiner.
Les outils en céramique sont largement utilisés pour la coupe à grande vitesse, la coupe à sec, la coupe dure et l'usinage de matériaux difficiles à usiner.
Les couteaux en céramique peuvent traiter efficacement des matériaux très durs que les couteaux traditionnels ne peuvent pas traiter du tout et réaliser un "fraisage remplaçant le meulage".
La vitesse de coupe optimale des outils en céramique peut être de 2 à 10 fois supérieure à celle des outils en carbure cémenté, ce qui améliore considérablement l'efficacité de la production.
La principale matière première utilisée dans les outils en céramique est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre. Par conséquent, la promotion et l'application d'outils en céramique revêtent une grande importance pour l'amélioration de la productivité, la réduction des coûts de traitement et l'économie de métaux précieux stratégiques. Cela favorisera grandement les progrès de la technologie de coupe.
Types de matériaux d'outils céramiques
Les types de matériaux céramiques pour outils peuvent être généralement divisés en trois catégories : les céramiques à base d'alumine, les céramiques à base de nitrure de silicium et les céramiques composites à base de nitrure de silicium et d'alumine.
Parmi eux, les matériaux céramiques à base d'alumine et de nitrure de silicium sont les plus utilisés.
Les céramiques à base de nitrure de silicium sont supérieures aux céramiques à base d'alumine.
Performances et caractéristiques des outils en céramique
Dureté élevée et bonne résistance à l'usure
Bien que la dureté des outils en céramique ne soit pas aussi élevée que celle du PCD et du PCBN, elle est bien supérieure à celle des alliages durs et des outils en acier rapide, atteignant 93-95 HRA.
Les outils en céramique peuvent traiter des matériaux à dureté élevée qui sont difficiles à usiner avec des outils traditionnels et conviennent à la coupe à grande vitesse et à la coupe dure.
Résistance aux températures élevées et à la chaleur
Les outils en céramique peuvent encore couper à des températures supérieures à 1200°C.
Les outils en céramique ont de bonnes propriétés mécaniques à haute température.
L'outil en céramique Al2O3 présente une excellente résistance à l'oxydation et l'arête de coupe peut être utilisée en continu, même à l'état chauffé au rouge.
Par conséquent, les outils céramiques peuvent réaliser des coupes à sec, ce qui élimine la nécessité d'utiliser un liquide de coupe.
Bonne stabilité chimique
Les couteaux en céramique ne sont pas faciles à lier au métal, et ont une bonne résistance à la corrosion et une bonne stabilité chimique, ce qui peut réduire l'usure de l'outil due à la liaison.
Faible coefficient de frottement
Les couteaux en céramique ont une faible affinité avec les métaux et un faible coefficient de friction, ce qui réduit les forces et les températures de coupe.
Application de l'outil céramique
La céramique est l'un des matériaux d'outillage les plus utilisés pour la finition et la semi-finition à grande vitesse.
Les fraises en céramique conviennent à la découpe de tous les types de fonte (fonte grise, fonte ductile, fonte malléable, fonte refroidie, fonte résistante à l'usure fortement alliée) et d'acier (acier de construction au carbone, acier de construction allié), acier à haute résistanceacier à haute teneur en manganèse, acier trempé, etc.) Ils peuvent également être utilisés pour couper les alliages de cuivre, le graphite, les plastiques techniques et les composites.
Les matériaux céramiques utilisés pour la fabrication des outils présentent une faible résistance à la flexion et une mauvaise résistance aux chocs ; ils ne sont donc pas adaptés à la coupe à faible vitesse et à la charge d'impact.
Le revêtement de l'outil est l'un des principaux moyens d'améliorer les performances de l'outil.
L'émergence de outils revêtus a réalisé une percée majeure dans les performances de coupe des outils.
Un outil revêtu est recouvert d'une ou plusieurs couches d'un composé réfractaire offrant une bonne résistance à l'usure sur un corps d'outil plus résistant. Cela combine la base de l'outil avec un revêtement dur pour maximiser la performance de l'outil.
Les outils revêtus peuvent accroître l'efficacité et la précision de l'usinage, prolonger la durée de vie de l'outil et réduire les coûts d'usinage.
Environ 80% des outils de coupe utilisés dans les nouvelles installations de production. Machine CNC utiliser des outils enduits.
Les outils revêtus seront à l'avenir l'outil le plus important dans le domaine de l'usinage CNC.
Type d'outil revêtu
Selon la méthode de revêtement :
Les outils revêtus peuvent être divisés en outils revêtus par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et en outils revêtus par dépôt physique en phase vapeur (PVD).
Les outils en carbure cémenté revêtus sont généralement revêtus par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur à une température de dépôt d'environ 1000°C.
Les outils en acier rapide revêtus adoptent généralement la méthode de dépôt physique en phase vapeur, et la température de dépôt est d'environ 500°C.
En fonction de la différence de matériau de base de l'outil de revêtement :
Les outils revêtus peuvent être divisés en outils en carbure revêtus, en outils en acier rapide revêtus et en outils revêtus en céramique et en matériaux superdurs (diamant et nitrure de bore cubique).
Selon la nature du matériau de revêtement :
Les outils revêtus peuvent être divisés en deux grandes catégories, à savoir les outils revêtus "durs" et les outils revêtus "souples".
Les outils à revêtement "dur" visent principalement à obtenir une dureté élevée et une bonne résistance à l'usure. Leurs principaux avantages sont une dureté élevée et une bonne résistance à l'usure. Il s'agit généralement de revêtements TiC et TiN.
L'objectif des outils à revêtement "doux" est d'obtenir un faible coefficient de frottement, également connu sous le nom d'outils autolubrifiants. Leur coefficient de frottement avec le matériau de la pièce est très faible, environ 0,1 seulement, ce qui permet de réduire le collage, le frottement, la force de coupe et la température de coupe.
Des outils de nanotechnologie ont été récemment mis au point.
Cet outil revêtu peut être utilisé dans différentes combinaisons de matériaux de revêtement (métal/métal, métal/céramique, céramique/céramique, etc.) pour répondre à différentes exigences fonctionnelles et de performance.
Le nanorevêtement bien conçu permet au matériau de l'outil d'avoir d'excellentes propriétés anti-friction et anti-usure, ce qui le rend adapté à la coupe à sec à grande vitesse.
Caractéristiques de l'outil de revêtement
Bonne mécanique et bonne performance de coupe
L'outil revêtu combine les excellentes propriétés du matériau de base et du matériau de revêtement pour conserver la bonne ténacité et la grande résistance du substrat, ainsi que la grande dureté, la grande résistance à l'usure et le faible coefficient de frottement du revêtement.
Par conséquent, les outils revêtus peuvent couper plus de deux fois plus vite que les outils non revêtus et permettent des vitesses d'avance plus élevées.
La durée de vie des outils revêtus est également améliorée.
Une grande polyvalence
Les outils revêtus ont une grande polyvalence et une large gamme de traitements, et un outil revêtu peut être utilisé à la place de plusieurs outils non revêtus.
Épaisseur du revêtement
La durée de vie de l'outil augmente avec l'épaisseur du revêtement.
Cependant, lorsque l'épaisseur du revêtement est saturée, la durée de vie de l'outil n'augmente plus de manière significative.
Lorsque le revêtement est trop épais, il s'écaille facilement, et lorsqu'il est trop fin, la résistance à l'abrasion est mauvaise.
Regrind
La lame revêtue est mal rebroyée, l'équipement de revêtement est compliqué, les exigences du processus sont élevées et le temps de revêtement est long.
Matériau de revêtement
Les outils de coupe dotés de différents matériaux de revêtement ont des performances de coupe différentes.
Par exemple, les revêtements TiC présentent un avantage pour la coupe à faible vitesse, tandis que le TiN convient à la coupe à grande vitesse.
Application d'outils revêtus
Les outils revêtus ont un grand potentiel dans le domaine de l'usinage CNC et seront à l'avenir l'outil le plus important dans le domaine de l'usinage CNC.
La technologie du revêtement a été appliquée aux fraises en bout, aux alésoirs, aux trépans et aux outils d'usinage de trous composites, plaques de cuisson à engrenagesLes outils de coupe à pignon, les outils d'arasage, les broches de formage et diverses plaquettes indexables pour les machines.
Il répond aux besoins d'usinage à grande vitesse de divers aciers et fontes, d'alliages résistants à la chaleur et de métaux non ferreux.
Les outils en carbure, en particulier les outils en carbure indexables, sont les principaux produits pour les outils d'usinage CNC.
Depuis les années 1980, divers types d'outils ou de plaquettes en carbure intégral et indexable ont été étendus à différents domaines d'outils de coupe.
Parmi eux, les outils en carbure de tungstène ont été développés à partir de simples outils de tournage et d'outils en carbure de tungstène. fraisage de face des fraises à divers outils de précision, complexes et de formage.
Type d'outil en carbure cémenté
En fonction de la composition chimique principale, le carbure cémenté peut être divisé en alliage dur à base de carbure de tungstène et en alliage dur à base de carbone (nitrure de titane) (TiC(N)).
Les carbures cémentés à base de carbure de tungstène comprennent le tungstène-cobalt (YG), le tungstène-cobalt-titane (YT) et les carbures rares (YW), chacun d'entre eux présentant des avantages et des inconvénients.
Les principaux composants sont le carbure de tungstène (WC), le carbure de titane (TiC), le carbure de tantale (TaC), le carbure de niobium (NbC), etc. et la phase de liaison métallique couramment utilisée est le Co.
Le carbure cémenté à base de carbone (azote) et de titane est un alliage dur contenant du TiC comme composant principal (dont certains sont additionnés d'autres carbures ou nitrures), et les phases de liaison métallique couramment utilisées sont le Mo et le Ni.
L'Organisation internationale de normalisation (ISO) classe les carbures de coupe en trois catégories :
La classe K, qui comprend les classes K10 à K40, est équivalente à la classe YG de la Chine (le composant principal est le WC.Co).
La classe P, qui comprend les classes P01 à P50, est équivalente à YT en Chine (le composant principal est WC.TiC.Co).
La classe M, qui comprend les classes M10 à M40, est équivalente à la classe YW en Chine (le composant principal est WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Chaque nuance représente une série d'alliages allant d'une dureté élevée à une ténacité maximale, avec des numéros compris entre 01 et 50, respectivement.
Caractéristiques de performance des outils en carbure cémenté
Dureté élevée
Les outils en carbure sont fabriqués par métallurgie des poudres à partir de carbures ayant une dureté et un point de fusion élevés (appelés phase dure) et de liants métalliques (appelés phases liées).
Leur dureté est de 89-93 HRA, bien supérieure à celle de l'acier rapide.
A 540°C, la dureté atteint encore 82-87 HRA.
A température ambiante, la valeur de dureté est la même que celle de l'acier rapide (83~86 HRA).
La valeur de dureté du carbure cémenté varie en fonction de la nature, de la quantité, de la taille des particules et de la teneur de la phase métallique liée du carbure, et diminue généralement à mesure que la teneur de la phase métallique liée augmente.
Lorsque la teneur en phase liante est identique, la dureté de l'alliage YT est supérieure à celle de l'alliage YG.
L'alliage auquel est ajouté du TaC (NbC) présente une dureté à haute température.
Résistance à la flexion et ténacité
La résistance à la flexion des carbures cémentés couramment utilisés est de l'ordre de 900~1500 MPa.
Plus la teneur en phase de liaison métallique est élevée, plus la résistance à la flexion est importante.
Lorsque la teneur en liant est identique, la résistance de l'alliage à base de YG (WC-Co) est supérieure à celle de l'alliage à base de YT (WC-TiC-Co), et la résistance diminue à mesure que la teneur en TiC augmente.
Le carbure cémenté est un matériau fragile, et sa résistance aux chocs n'est que de 1/30~1/8 de celle de l'acier rapide à température ambiante.
Applications des outils en carbure couramment utilisés
Les alliages YG sont principalement utilisés pour traiter la fonte, les métaux non ferreux et les matériaux non métalliques.
Les alliages durs à grain fin (tels que YG3X, YG6X) ont une dureté et une résistance à l'usure plus élevées que les alliages à grain moyen lorsque la teneur en cobalt est la même. Ils conviennent au traitement de certaines fontes dures spéciales, de l'acier inoxydable austénitique, des alliages résistants à la chaleur, des alliages de titane, du bronze dur et des matériaux d'isolation résistants à l'usure.
Les avantages remarquables des carbures cémentés de type YT sont une dureté élevée, une bonne résistance à la chaleur, une dureté et une résistance à la compression élevées à haute température, une plus grande résistance à l'YG et une meilleure résistance à l'oxydation.
Par conséquent, lorsque l'outil nécessite une résistance élevée à la chaleur et à l'usure, il convient de choisir une nuance à forte teneur en TiC.
Les alliages YT conviennent au traitement des matériaux en acier, mais ne conviennent pas au traitement des alliages de titane et du silicium. alliages d'aluminium.
Les alliages YW possèdent les propriétés des alliages YG et YT et ont de bonnes propriétés globales. Ils peuvent être utilisés pour le traitement des matériaux en acier ainsi que pour le traitement de la fonte et des métaux non ferreux.
Ces alliages, si la teneur en cobalt est correctement ajoutée, peuvent être utilisés à haute résistance et pour l'ébauche et la coupe interrompue de divers matériaux difficiles à usiner.
L'acier rapide (HSS) est un acier à outils fortement allié contenant davantage d'éléments d'alliage tels que W, Mo, Cr et V.
Les fraises en acier rapide possèdent d'excellentes propriétés globales en termes de résistance, de ténacité et de qualité de fabrication.
Dans les outils complexes, en particulier pour la production d'outils de coupe de trous, de fraises, de filets, de broches, d'outils de coupe et d'autres outils complexes en forme de lame, l'acier rapide domine toujours.
Les outils en acier rapide sont faciles à affûter.
L'acier rapide peut être classé en acier rapide à usage général et en acier rapide à haute performance, en fonction de l'application.
Universel acier rapide cutter
L'acier rapide à usage général peut être divisé en deux types : l'acier au tungstène et l'acier au tungstène et au molybdène.
Ce type d'acier rapide contient 0,7% à 0,9% de carbone (C).
Selon la quantité de tungstène contenue dans l'acier, celui-ci peut être divisé en acier au tungstène avec 12% ou 18% de tungstène.
Acier au tungstène et au molybdène contenant 6% ou 8% de tungstène, et un acier au tungstène et au molybdène contenant 6% ou 8% de tungstène. acier au molybdène contenant 2% de tungstène ou pas du tout.
L'acier rapide à usage général possède une certaine dureté (63-66 HRC) et une résistance à l'usure, une résistance et une ténacité élevées, une bonne plasticité et une technologie de transformation.
Il est donc largement utilisé dans la fabrication de divers outils complexes.
Acier au tungstène
La qualité générale de l'acier au tungstène pour l'acier à grande vitesse est W18Cr4V (appelé W18), qui présente de bonnes performances globales. La dureté à haute température est de 48,5 HRC à 600 °C et peut être utilisée pour fabriquer une variété d'outils complexes. Il présente les avantages d'une bonne aptitude à l'affûtage et d'une faible résistance à l'usure. décarburation sensibilité. Cependant, en raison de la teneur élevée en carbure, la distribution est moins uniforme, les particules sont plus grosses et la résistance et la ténacité ne sont pas élevées.
Acier au carbure de tungstène
Il s'agit d'un acier rapide obtenu en remplaçant une partie du tungstène de l'acier au tungstène par du molybdène.
La nuance type d'acier au tungstène et au molybdène est le W6Mo5Cr4V2 (appelé M2).
Les particules de carbure de M2 sont fines et uniformes, et la résistance, la ténacité et la plasticité à haute température sont meilleures que celles du W18Cr4V.
Un autre type d'acier au tungstène et au molybdène est le W9Mo3Cr4V (appelé W9). Sa stabilité thermique est légèrement supérieure à celle de l'acier M2, sa résistance à la flexion et sa ténacité sont meilleures que celles du W6Mo5Cr4V2, et il présente une bonne usinabilité.
Couteau en acier rapide à haute performance
L'acier rapide à haute performance est une nouvelle nuance d'acier qui ajoute quelques éléments à la qualité de l'acier. teneur en carboneLes éléments d'alliage tels que le Co et l'Al sont ajoutés au composant d'acier rapide à usage général pour améliorer sa résistance à la chaleur et à l'usure.
Il existe principalement les grandes catégories suivantes :
Acier rapide à haute teneur en carbone
Acier rapide à haute teneur en carbone (tel que 95W18Cr4V), dureté élevée à température ambiante et à haute température, adapté à la fabrication d'acier ordinaire et de fonte, de forets à haute résistance à l'usure, d'alésoirs, de tarauds et de fraises, ou d'outils pour le traitement de matériaux durs. Ne convient pas aux chocs importants.
Acier rapide à haute teneur en vanadium
Les nuances typiques, telles que W12Cr4V4Mo, (EV4 en abrégé), augmentent le V de 3% à 5%.
Il présente une bonne résistance à l'usure et convient à la coupe de matériaux présentant une forte usure de l'outil, tels que les fibres, le caoutchouc dur, le plastique, etc. Il peut également être utilisé pour traiter l'acier inoxydable, l'acier à haute résistance et l'alliage à haute température.
Acier rapide au cobalt
Il s'agit d'un acier super rapide contenant du cobalt, dont la nuance typique est W2Mo9Cr4VCo8 (appelée M42).
Il présente une dureté élevée de 69-70 HRC et convient au traitement de matériaux difficiles à usiner, tels que l'acier à haute résistance à la chaleur, l'alliage à haute température et l'acier à haute teneur en carbone. alliage de titane.
Le M42 est hautement rectifiable et convient à la fabrication d'outils complexes, mais il n'est pas adapté au travail dans des conditions de coupe par impact.
Acier rapide en aluminium
Il s'agit d'une sorte d'acier rapide super dur à base d'aluminium, dont la nuance typique est W6Mo5Cr4V2Al (abréviation 501).
La dureté à haute température à 6000C atteint également 54HRC, et les performances de coupe sont équivalentes à celles du M42.
Convient à la fabrication de fraises, de forets, d'alésoirs, de fraises à engrenages, de broches, etc. acier alliéacier inoxydable, acier à haute résistance et alliages à haute température.
Acier rapide super dur à l'azote
Les nuances typiques, telles que W12M03Cr4V3N, appelées (V3N), sont des aciers rapides super-durs contenant de l'azote.
La dureté, la résistance et la ténacité sont comparables à celles du M42.
Il peut remplacer l'acier rapide contenant du cobalt pour la coupe à faible vitesse de matériaux difficiles à usiner et pour l'usinage de haute précision à faible vitesse.
Fusion d'acier rapide et métallurgie des poudres d'acier rapide
En fonction des différents processus de fabrication, l'acier rapide peut être divisé en acier rapide de fusion et en acier rapide de métallurgie des poudres.
SmAcier rapide Elting
L'acier rapide ordinaire et l'acier rapide à haute performance sont tous deux fabriqués selon une méthode de fusion.
Ils sont transformés en outils par des procédés tels que la fusion, la coulée en lingots et le laminage.
La ségrégation des carbures est un problème grave susceptible de se produire lors de la fusion de l'acier rapide. Les carbures durs et fragiles sont répartis de manière inégale dans l'acier rapide et présentent des grains grossiers (jusqu'à plusieurs dizaines de microns), ce qui nuit à la résistance à l'usure, à la ténacité et aux performances de coupe des outils en acier rapide.
Acier rapide à métallurgie des poudres (PM HSS)
L'acier rapide par métallurgie des poudres (PM HSS) est de l'acier fondu provenant d'un four à induction à haute fréquence et atomisé par de l'argon à haute pression ou de l'azote pur. Il est ensuite trempé pour obtenir une structure cristalline fine et uniforme (poudre d'acier rapide). La poudre obtenue est ensuite pressée à haute température et à haute pression pour former une ébauche de lame, ou d'abord formée en une plaque d'acier, puis forgée et laminée pour obtenir la forme d'un outil.
Comparé à l'acier rapide produit par la méthode de fusion, le PM HSS présente les avantages de grains de carbure fins et uniformes, ainsi que d'une meilleure résistance mécanique, d'une meilleure ténacité et d'une meilleure résistance à l'usure.
Dans le domaine des outils CNC complexes, les outils PM HSS joueront un rôle de plus en plus important. Les nuances typiques sont F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, etc.
Il peut être utilisé pour fabriquer des outils de grande taille, robustes et résistants aux chocs, ainsi que des outils de précision.
Actuellement, les matériaux largement utilisés pour les outils CNC comprennent les outils diamantés, les outils en nitrure de bore cubique, les outils en céramique, les outils revêtus, les outils en carbure et les outils en acier rapide.
Le nombre total de matériaux d'outillage est important et leurs performances varient considérablement. Les principaux indicateurs de performance des différents matériaux d'outils sont les suivants :
| Les types | Densité g/cm2 | Résistant à la chaleur ℃ | Dureté | Pliage la force Mpa | Thermique conductivité w/(m.K）) | Coefficient de dilatation thermique ×10-5/℃ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Diamant polycristallin | 3.47-3.56 | 700-800 | ＞9000HV | 600-1100 | 210 | 3.1 | |
| Carbure de bore cubique polycristallin | 3.44-3.49 | 1300-1500 | 4500HV | 500-800 | 130 | 4.7 | |
| Couteau en céramique | 3.1-5.0 | ＞1200 | 91-95HRA | 700-1500 | 15.0-38.0 | 7.0-9.0 | |
| Carbure cémenté | Tungstène cobalt | 14.0-15.5 | 800 | 89-91.5HRA | 1000-2350 | 74.5-87.9 | 3-7.5 |
| Tungstène cobalt titane | 9.0-14.0 | 900 | 89-92.5HRA | 800-1800 | 20.9-62.8 | ||
| Alliage général | 12.0-14.0 | 1000-1100 | ~92,5HRA | / | / | ||
| Alliage à base de TiC | 5.0-7.0 | 1100 | 92-93.5HRA | 1150-1350 | / | 8.2 | |
| Acier rapide | 8.0-8.8 | 600-700 | 62-70HRC | 2000-4500 | 15.0-30.0 | 8-12 | |
Les matériaux des outils de coupe pour l'usinage CNC doivent être sélectionnés en fonction de la pièce à usiner et de la nature du processus.
Le choix des matériaux des outils de coupe doit être correctement adapté à l'objet usiné. L'adéquation entre le matériau de l'outil de coupe et l'objet à usiner fait principalement référence à l'adéquation entre les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des deux, afin d'obtenir la durée de vie la plus longue possible de l'outil et la productivité maximale de l'opération de coupe.
Le problème de l'adéquation des propriétés mécaniques entre l'outil de coupe et l'objet usiné fait principalement référence aux paramètres des propriétés mécaniques tels que la résistance, la ténacité et la dureté de l'outil et du matériau de la pièce à usiner.
Des matériaux d'outils aux propriétés mécaniques différentes sont adaptés à l'usinage des matériaux de la pièce à usiner.
L'ordre de dureté du matériau de l'outil est le suivant : outil en diamant > outil en nitrure de bore cubique > outil en céramique > alliage dur > acier rapide.
L'ordre de résistance à la flexion du matériau de l'outil est le suivant : acier rapide > alliage dur > outil en céramique > outil en diamant et en nitrure de bore cubique.
L'ordre de ténacité du matériau de l'outil est le suivant : acier rapide > alliage dur > nitrure de bore cubique, diamant et outils en céramique.
Les matériaux à haute dureté doivent être usinés avec des outils à dureté plus élevée. La dureté du matériau de l'outil doit être supérieure à celle du matériau de la pièce, généralement supérieure à 60 HRC. Plus la dureté du matériau de l'outil est élevée, meilleure est sa résistance à l'usure.
Par exemple, lorsque la quantité de cobalt dans le carbure cémenté augmente, la résistance et la ténacité augmentent, la dureté diminue et le carbure cémenté convient au traitement brut. Lorsque la quantité de cobalt diminue, la dureté et la résistance à l'usure augmentent, ce qui convient à la finition.
Les outils dotés d'excellentes propriétés mécaniques à haute température sont particulièrement adaptés à l'usinage à grande vitesse. L'excellente performance à haute température des outils céramiques leur permet d'être coupés à des vitesses élevées, permettant des vitesses de coupe de 2 à 10 fois supérieures à celles des carbures cémentés.
Des outils aux propriétés physiques différentes, tels que les outils en acier rapide à conductivité thermique élevée et à point de fusion bas, les outils en céramique à point de fusion élevé et à faible dilatation thermique, et les outils en diamant à conductivité thermique élevée et à faible dilatation thermique, conviennent au traitement des matériaux de la pièce à usiner.
Lors de l'usinage d'une pièce à faible conductivité thermique, il convient d'utiliser un matériau d'outil ayant une meilleure conductivité thermique afin de permettre à la chaleur de coupe d'être rapidement transmise et d'abaisser la température de coupe.
En raison de la conductivité et de la diffusivité thermiques élevées du diamant, la chaleur de coupe est facilement dissipée et ne provoque pas de déformation thermique importante. Ceci est particulièrement important pour les outils d'usinage de précision avec une grande exactitude dimensionnelle.
Température de résistance à la chaleur de divers matériaux d'outillage :
700~8000C pour les outils diamantés, 13000～15000C pour les outils PCBN, 1100～12000C pour les outils céramiques, 900～11000C pour les alliages durs à base de TiC(N), les alliages durs à grain ultra-fin à base de WC. La qualité de l'alliage est de 800 à 9000 C, et l'acier rapide de 600 à 7000 C.
Séquence de conductivité thermique de divers matériaux d'outils :
PCD>PCBN>Carbure cémenté à base de WC>Carbure cémenté à base de TiC(N)>HSS>Céramique à base de Si3N4>Céramique à base d'A1203.
L'ordre des coefficients de dilatation thermique des différents matériaux des outils est le suivant :
HSS>Carbure cémenté à base de WC>TiC(N)>Céramique à base d'A1203>PCBN>Céramique à base de Si3N4>PCD.
L'ordre de résistance aux chocs thermiques des différents matériaux d'outillage est le suivant :
HSS>Carbure cémenté à base de WC>Céramique à base de Si3N4>PCBN>PCD>Carbure cémenté à base de TiC(N)>Céramique à base d'A1203.
L'adéquation entre les propriétés chimiques du matériau de l'outil de coupe et l'objet du traitement fait principalement référence à l'adéquation entre les propriétés chimiques du matériau de l'outil et l'affinité chimique, la réaction chimique, la diffusion et la dissolution du matériau de la pièce à usiner.
Des outils de matériaux différents conviennent à l'usinage de matériaux différents pour les pièces à usiner.
La température d'anti-adhérence des différents matériaux d'outillage (et de l'acier) est la suivante :
PCBN>céramique>alliage dur>HSS.
La température d'oxydation des différents matériaux utilisés pour les outils est la suivante :
céramique>PCBN>alliage dur>diamant>HSS.
La résistance à la diffusion de divers matériaux d'outillage (pour l'acier) est :
diamant > céramique à base de Si3N4 > PCBN > céramique à base de A1203.
La force de diffusion (pour le titane) est :
Céramique à base d'A1203 > PCBN > SiC > Si3N4 > diamant.
En général, les outils en PCBN, en céramique, en carbure revêtu et en carbure à base de TiCN conviennent à l'usinage CNC des métaux ferreux tels que l'acier.
Les outils PCD conviennent à l'usinage de matériaux non ferreux tels que l'aluminium, le magnésium, le cuivre, les alliages et les matériaux non métalliques.
Le tableau 2 énumère quelques-uns des matériaux de pièces à usiner qui conviennent à l'utilisation des matériaux d'outils susmentionnés.
| Outil de coupe | Haut dureté acier | Chaleur résistant alliage | Titane alliage | Nickel basé superalliage | Cast fer | Pure acier | Haut silicium aluminium alliage | PRFV composite matériel |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCD | × | × | ◎ | × | × | × | ◎ | ◎ |
| PCBN | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | ● | ● | |
| Couteau en céramique | ◎ | ◎ | × | ◎ | ◎ | ● | × | × |
| Couche de carbure cémenté | ○ | ◎ | ◎ | ● | ◎ | ◎ | ● | ● |
| Alliage dur à base de TiCN | ● | × | × | × | ◎ | ● | × | × |
Remarque :
◎ - Excellent
○ - Bon
● - OK
× - Mauvais
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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