Vi siete mai chiesti perché gli utensili per la lavorazione si usurano così rapidamente? Questo articolo approfondisce le proprietà essenziali e i tipi di materiali per utensili da taglio, spiegando come i progressi in termini di durezza, tenacità e resistenza al calore possano migliorare la durata degli utensili e l'efficienza della lavorazione. Scoprite le caratteristiche e le applicazioni degli utensili in diamante, nitruro di boro cubico, ceramica, rivestimento, carburo e acciaio ad alta velocità. Alla fine, capirete come la scelta del materiale giusto possa avere un impatto significativo sulle vostre operazioni di lavorazione.
Le attrezzature di lavorazione avanzate e gli strumenti CNC ad alte prestazioni possono sfruttare appieno le loro prestazioni e ottenere buoni vantaggi economici.
Con il rapido sviluppo dei materiali per utensili, le proprietà fisiche, meccaniche e le prestazioni di taglio di vari nuovi materiali per utensili sono state notevolmente migliorate e il campo di applicazione è in continua espansione.
La scelta dei materiali degli utensili da taglio influenza in modo significativo la durata, l'efficienza della lavorazione, la qualità e i costi. Durante le operazioni di taglio, gli utensili sono sottoposti a condizioni estreme, tra cui alta pressione, temperature elevate, attrito, urti e vibrazioni. Di conseguenza, i materiali per utensili da taglio devono possedere le seguenti proprietà essenziali:
(1) Durezza e resistenza all'usura
La durezza del materiale dell'utensile da taglio deve essere superiore a quella del materiale del pezzo, in genere con un minimo di 60 HRC (scala Rockwell C). In genere, una durezza maggiore è correlata a una migliore resistenza all'usura. Tuttavia, è fondamentale bilanciare la durezza con altre proprietà per evitare la fragilità.
(2) Forza e resistenza
I materiali degli utensili da taglio devono presentare un'elevata resistenza e tenacità per resistere alle forze di taglio, agli urti e alle vibrazioni. Questa combinazione di proprietà aiuta a prevenire la frattura fragile e la scheggiatura del tagliente dell'utensile, garantendo prestazioni costanti e una maggiore durata. L'equilibrio ottimale tra resistenza e tenacità varia a seconda della specifica applicazione di lavorazione.
(3) Resistenza al calore
Una buona resistenza al calore è essenziale per i materiali degli utensili da taglio per mantenere le loro proprietà meccaniche alle elevate temperature che si incontrano durante la lavorazione. Questo include:
(4) Processabilità e redditività economica
Il materiale dell'utensile deve possedere caratteristiche favorevoli per la produzione e la manutenzione, tra cui:
Inoltre, il materiale deve offrire un elevato rapporto prestazioni/prezzo, bilanciando proprietà di taglio superiori e convenienza per l'applicazione prevista.
(5) Stabilità chimica
Il materiale dell'utensile deve resistere alle reazioni chimiche con il materiale del pezzo e con i fluidi di taglio, evitando il degrado prematuro dell'utensile e garantendo una qualità di lavorazione costante.
(6) Conduttività termica
Un'adeguata conducibilità termica aiuta a dissipare il calore dalla zona di taglio, riducendo le sollecitazioni termiche sull'utensile e sul pezzo e consentendo potenzialmente velocità di taglio più elevate.
Il diamante è un isomero del carbonio, il materiale più duro mai trovato in natura.
Gli utensili da taglio diamantati hanno un'elevata durezza, un'alta resistenza all'usura e un'alta conducibilità termica, e sono ampiamente utilizzati nella lavorazione di metalli non ferrosi e nonmateriali metallici.
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Soprattutto nella lavorazione ad alta velocità dell'alluminio e delle leghe di silicio-alluminio, gli utensili diamantati sono i principali tipi di taglio utensili difficili da sostituire. Gli utensili diamantati possono raggiungere un'elevata efficienza, un'alta stabilità e una lunga durata e sono indispensabili nei moderni processi di lavorazione CNC.
Tipo di fresa diamantata
Taglierina a diamante naturale
I diamanti naturali sono stati utilizzati come utensili da taglio per centinaia di anni. L'utensile in diamante naturale a cristallo singolo è finemente rettificato e il bordo può essere affilato con un raggio di taglio di 0,002 μm. Il taglio ultrasottile consente un'elevatissima precisione del pezzo da lavorare e una bassissima rugosità della superficie. È un utensile di lavorazione di ultra-precisione riconosciuto, ideale e insostituibile.
Fresa diamantata PCD
I diamanti naturali sono costosi. Il diamante ampiamente utilizzato nelle lavorazioni di taglio è il diamante policristallino (PCD). Dall'inizio degli anni '70, il diamante policristallino (lama PCD) è stato sviluppato con successo e gli utensili in diamante naturale sono stati sostituiti dal diamante policristallino sintetico.
Le materie prime PCD sono abbondanti e il loro prezzo è pari a pochi decimi o un decimo di quello del diamante naturale. Gli utensili in PCD non possono produrre bordi taglientie la qualità della superficie del pezzo lavorato non è pari a quella del diamante naturale.
Attualmente, nell'industria non è facile produrre inserti in PCD con rompitruciolo. Pertanto, il PCD può essere utilizzato solo per il taglio fine di metalli non ferrosi e non metallici ed è difficile ottenere un taglio a specchio ultra-preciso.
Fresa diamantata CVD
Dalla fine degli anni '70 all'inizio degli anni '80, la tecnologia del diamante CVD ha fatto la sua comparsa in Giappone. Per diamante CVD si intende la sintesi di un film di diamante su un substrato eterogeneo (come ad esempio carburo cementato, ceramica, ecc.) mediante deposizione da vapore chimico (CVD). Il diamante CVD ha esattamente la stessa struttura e le stesse proprietà del diamante naturale.
Le prestazioni del diamante CVD sono molto vicine a quelle del diamante naturale e presentano i vantaggi del diamante naturale a cristallo singolo e del diamante policristallino (PCD), superandone in parte le carenze.
Caratteristiche delle prestazioni degli utensili da taglio diamantati
Durezza e resistenza all'usura estremamente elevate
Il diamante naturale è la sostanza più dura presente in natura. Il diamante ha una resistenza all'usura molto elevata. Nella lavorazione di materiali di elevata durezza, la durata degli utensili in diamante è da 10 a 100 volte, o addirittura centinaia di volte, quella degli utensili in carburo cementato.
Ha un coefficiente di attrito molto basso
Il coefficiente di attrito tra il diamante e alcuni metalli non ferrosi è inferiore a quello di altri utensili. Il basso coefficiente di attrito determina una minore deformazione durante la lavorazione e una forza di taglio ridotta.
Il bordo di taglio è molto affilato
Il tagliente dell'utensile diamantato può essere affilato. Gli utensili in diamante naturale a cristallo singolo possono raggiungere un'affilatura del bordo pari a 0,002~0,008 μm per il taglio ultrasottile e la lavorazione ultraprecisa.
Elevata conducibilità termica
La conducibilità termica e la diffusività termica del diamante sono elevate. Ciò consente di dissipare facilmente il calore di taglio, con conseguente riduzione della temperatura di taglio dell'utensile.
Ha un coefficiente di espansione termica inferiore
Il diamante ha un coefficiente di espansione termica diverse volte inferiore a quello del carburo cementato. La piccola variazione delle dimensioni dell'utensile causata dal calore del taglio è particolarmente importante per le lavorazioni di precisione e ultraprecisione, dove l'accuratezza dimensionale è fondamentale.
Applicazione di utensili diamantati
Gli utensili diamantati sono utilizzati principalmente per il taglio fine e l'alesatura di materiali non ferrosi e non metallici ad alta velocità. Sono adatti alla lavorazione di vari materiali non metallici resistenti all'usura, come gli spezzoni della metallurgia delle polveri FRP, i materiali ceramici, ecc. e di vari metalli non ferrosi resistenti all'usura, come varie leghe di silicio-alluminio e finiture di metalli non ferrosi.
Tuttavia, lo svantaggio degli utensili diamantati è la loro scarsa stabilità termica. Quando la temperatura di taglio supera i 700-800°C, la durezza del diamante si perde completamente. Inoltre, gli utensili diamantati non sono adatti al taglio di metalli ferrosi, poiché il diamante (carbonio) può facilmente interagire con gli atomi di ferro ad alte temperature, convertendo gli atomi di carbonio in strutture di grafite, che possono rendere l'utensile estremamente fragile.
Il secondo materiale superduro, il nitruro di boro cubico (CBN), sintetizzato con un metodo simile a quello di produzione del diamante, è secondo solo al diamante in termini di durezza e conduttività termica.
Ha un'eccellente stabilità termica e non si ossida se riscaldato a 10.000℃ in atmosfera.
Il CBN ha proprietà chimiche estremamente stabili per i metalli ferrosi e può essere ampiamente utilizzato nella lavorazione dei prodotti in acciaio.
Tipo di utensile in nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico (CBN) è una sostanza che non esiste in natura.
Ne esistono due tipi: a cristallo singolo e policristallino, ovvero il CBN a cristallo singolo e il nitruro di boro cubico policristallino (PCBN).
Il CBN è uno degli isomeri del nitruro di boro (BN) e ha una struttura simile a quella del diamante.
Il PCBN (nitruro di boro cubico policristallino) è un materiale policristallino in cui fini materiali CBN sono sinterizzati insieme attraverso una fase di legame (TiC, TiN, Al, Ti, ecc.) ad alta temperatura e ad alta pressione.
Attualmente è un materiale per utensili che utilizza una durezza sintetizzata artificialmente simile a quella del diamante.
Viene definito collettivamente come materiale superduro per utensili.
Il PCBN viene utilizzato principalmente per la produzione di utensili.
Gli utensili in PCBN possono essere suddivisi in inserti in PCBN integrale e inserti in PCBN composito sinterizzato con carburo cementato.
La lama composita in PCBN è formata dalla sinterizzazione di uno strato di PCBN di 0,5~1,0 mm di spessore su carburo cementato con buone caratteristiche di resistenza e tenacità.
Le sue proprietà combinano buona tenacità, elevata durezza e resistenza all'usura.
Risolve i problemi di bassa resistenza alla flessione e di difficile saldatura degli inserti in CBN.
Principali proprietà e caratteristiche del nitruro di boro cubico
Sebbene la durezza del nitruro di boro cubico sia leggermente inferiore a quella del diamante, è molto più elevata rispetto ad altri materiali ad alta durezza.
Il vantaggio principale del CBN è che la sua stabilità termica è molto più elevata di quella del diamante, fino a 1200 °C (rispetto ai 700-800 °C del diamante).
Un altro vantaggio notevole è che è chimicamente inerte e non reagisce chimicamente con il ferro a 1200-1300 °C.
Le principali caratteristiche prestazionali del nitruro di boro cubico sono le seguenti:
Elevata durezza e resistenza all'usura
La struttura cristallina del CBN è simile a quella del diamante e presenta caratteristiche paragonabili a quelle del diamante. durezza e resistenza.
Il PCBN è particolarmente adatto per la lavorazione di materiali ad alta durezza che possono essere rettificati solo in precedenza e può ottenere una qualità superficiale superiore del pezzo.
Elevata stabilità termica
La resistenza al calore del CBN può raggiungere i 1400-1500℃, quasi il doppio della resistenza al calore del diamante (700-800℃).
Gli utensili in PCBN possono tagliare superleghe e acciai temprati a velocità da 3 a 5 volte superiori rispetto agli utensili in metallo duro.
Eccellente stabilità chimica
Non svolge un ruolo chimico con i materiali a base di ferro fino a 1200-1300℃.
Non si usura come il diamante, ma mantiene la durezza del carburo cementato.
Gli utensili PCBN sono adatti al taglio di parti in acciaio temprato e ghisa raffreddata e possono essere ampiamente utilizzati per il taglio ad alta velocità della ghisa.
Ha una buona conducibilità termica
Sebbene la conduttività termica del CBN non sia in grado di tenere il passo con quella del diamante, la conduttività termica del PCBN in vari materiali per utensili è seconda solo a quella del diamante, molto più alta di quella dell'acciaio ad alta velocità e di quella dell'acciaio al carbonio. lega dura.
Ha un coefficiente di attrito inferiore
Un basso coefficiente di attrito si traduce in una riduzione delle forze di taglio durante il taglio, in una riduzione delle temperature di taglio e in una migliore qualità della superficie.
Applicazione di utensili in nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico è adatto per la finitura di materiali difficili da tagliare come l'acciaio temprato, la ghisa dura, le superleghe, le leghe dure e i materiali da spruzzo superficiale.
La precisione di lavorazione può raggiungere IT5 (il foro è IT6) e il valore della rugosità superficiale può essere compreso tra Ra 1,25 e 0,20 μm.
Il materiale degli utensili in nitruro di boro cubico ha una scarsa tenacità e resistenza alla flessione. Pertanto, gli utensili di tornitura in nitruro di boro cubico non sono adatti alla lavorazione di sgrossatura con bassa velocità e grande carico d'impatto. Inoltre, non sono adatti al taglio di materiali plastici (come leghe di alluminio, leghe di rame, leghe a base di nichel, acciai con elevata plasticità, ecc.
I coltelli in ceramica hanno caratteristiche di elevata durezza, buona resistenza all'usura, eccellente resistenza al calore e stabilità chimica e non si legano facilmente ai metalli.
Gli utensili in ceramica svolgono un ruolo importante nella lavorazione CNC e sono diventati uno degli strumenti principali per il taglio ad alta velocità e per i materiali difficili da lavorare.
Gli utensili in ceramica sono ampiamente utilizzati per il taglio ad alta velocità, il taglio a secco, il taglio duro e la lavorazione di materiali difficili da lavorare.
I coltelli in ceramica sono in grado di lavorare efficacemente materiali di elevata durezza che i coltelli tradizionali non sono in grado di lavorare e di ottenere una "fresatura che sostituisce la rettifica".
La velocità di taglio ottimale degli utensili in ceramica può essere da 2 a 10 volte superiore a quella degli utensili in carburo cementato, migliorando notevolmente l'efficienza della produzione di taglio.
La principale materia prima utilizzata per gli utensili in ceramica è l'elemento più abbondante della crosta terrestre. Pertanto, la promozione e l'applicazione di utensili in ceramica è di grande importanza per migliorare la produttività, ridurre i costi di lavorazione e risparmiare metalli preziosi strategici. Ciò promuoverà notevolmente il progresso della tecnologia di taglio.
Tipi di materiali per utensili in ceramica
I tipi di materiali ceramici per utensili possono essere generalmente suddivisi in tre categorie: ceramiche a base di allumina, ceramiche a base di nitruro di silicio e ceramiche composite a base di nitruro di silicio e allumina.
Tra questi, i materiali ceramici per utensili a base di allumina e nitruro di silicio sono i più utilizzati.
Le ceramiche a base di nitruro di silicio sono superiori a quelle a base di allumina.
Prestazioni e caratteristiche degli utensili in ceramica
Elevata durezza e buona resistenza all'usura
Sebbene la durezza degli utensili in ceramica non sia così elevata come quella di PCD e PCBN, è molto più alta di quella delle leghe dure e degli utensili in acciaio ad alta velocità, raggiungendo 93-95 HRA.
Gli utensili in ceramica possono lavorare materiali ad alta durezza, difficili da lavorare con gli utensili tradizionali, e sono adatti al taglio ad alta velocità e al taglio duro.
Resistenza alle alte temperature e al calore
Gli utensili in ceramica possono ancora tagliare a temperature superiori a 1200°C.
Gli utensili in ceramica hanno buone proprietà meccaniche alle alte temperature.
L'utensile in ceramica Al2O3 ha un'eccellente resistenza all'ossidazione e il tagliente può essere utilizzato in modo continuo anche allo stato arroventato.
Pertanto, gli utensili in ceramica possono ottenere un taglio a secco, eliminando la necessità di un fluido da taglio.
Buona stabilità chimica
I coltelli in ceramica non si legano facilmente al metallo e hanno una buona resistenza alla corrosione e stabilità chimica, in grado di ridurre l'usura da incollaggio dell'utensile.
Basso coefficiente di attrito
I coltelli in ceramica hanno una bassa affinità con i metalli e un basso coefficiente di attrito, che riduce le forze di taglio e le temperature di taglio.
Applicazione di utensili in ceramica
La ceramica è uno dei materiali utilizzati principalmente per la finitura e la semi-finitura ad alta velocità.
Le frese in ceramica sono adatte al taglio di tutti i tipi di ghisa (ghisa grigia, ghisa duttile, ghisa malleabile, ghisa raffreddata, ghisa ad alta lega resistente all'usura) e di acciaio (acciaio strutturale al carbonio, acciaio strutturale legato), acciaio ad alta resistenzaacciaio ad alto tenore di manganese, acciaio temprato, ecc.) Possono essere utilizzati anche per tagliare leghe di rame, grafite, tecnopolimeri e materiali compositi.
Le prestazioni dei materiali ceramici per utensili hanno una bassa resistenza alla flessione e una scarsa tenacità all'impatto e non sono adatti al taglio a bassa velocità e al carico d'impatto.
Il rivestimento dell'utensile è uno dei modi più importanti per migliorarne le prestazioni.
L'emergere di strumenti rivestiti ha compiuto un importante passo avanti nelle prestazioni di taglio degli utensili.
Un utensile rivestito è rivestito con uno o più strati di un composto refrattario con buona resistenza all'usura su un corpo utensile più duro. Questo combina la base dell'utensile con un rivestimento duro per massimizzare le prestazioni dell'utensile.
Gli utensili rivestiti possono aumentare l'efficienza di lavorazione, la precisione di lavorazione, prolungare la durata degli utensili e ridurre i costi di lavorazione.
Circa l'80% degli utensili da taglio utilizzati nel nuovo Macchina CNC strumenti utilizzare strumenti rivestiti.
Gli utensili rivestiti saranno in futuro lo strumento più importante nel campo della lavorazione CNC.
Tipo di utensile rivestito
Secondo il metodo di rivestimento:
Gli utensili rivestiti possono essere suddivisi in utensili rivestiti per deposizione di vapore chimico (CVD) e utensili rivestiti per deposizione di vapore fisico (PVD).
Gli utensili in carburo cementato rivestiti sono generalmente rivestiti con il metodo della deposizione chimica da vapore con una temperatura di deposizione di circa 1000°C.
Gli utensili in acciaio rapido rivestiti adottano generalmente il metodo della deposizione fisica da vapore e la temperatura di deposizione è di circa 500°C.
In base alla differenza del materiale di base dello strumento di rivestimento:
Gli utensili rivestiti possono essere suddivisi in utensili in metallo duro rivestiti, utensili in acciaio rapido rivestiti e utensili rivestiti in ceramica e materiali superduri (diamante e nitruro di boro cubico).
In base alla natura del materiale di rivestimento:
Gli utensili rivestiti possono essere suddivisi in due grandi categorie: utensili con rivestimento "duro" e utensili con rivestimento "morbido".
L'obiettivo principale degli utensili con rivestimento "duro" è l'elevata durezza e resistenza all'usura. I loro principali vantaggi sono l'elevata durezza e la buona resistenza all'usura, tipicamente i rivestimenti TiC e TiN.
L'obiettivo degli utensili con rivestimento "morbido" è un basso coefficiente di attrito, noto anche come utensili autolubrificanti. Il loro coefficiente di attrito con il materiale del pezzo è molto basso, solo circa 0,1, e può ridurre l'incollaggio, l'attrito, la forza di taglio e la temperatura di taglio.
Recentemente sono stati sviluppati strumenti di nanoeating.
Questo utensile rivestito può essere utilizzato in diverse combinazioni di materiali di rivestimento (come metallo/metallo, metallo/ceramica, ceramica/ceramica, ecc.) per soddisfare diversi requisiti funzionali e prestazionali.
Il nano-rivestimento ben progettato consente al materiale dell'utensile di avere eccellenti proprietà antiattrito e antiusura, rendendolo adatto al taglio a secco ad alta velocità.
Caratteristiche dello strumento di rivestimento
Buona meccanica e prestazioni di taglio
L'utensile rivestito combina le eccellenti proprietà del materiale di base e del materiale di rivestimento per mantenere la buona tenacità e l'elevata resistenza del substrato, nonché l'elevata durezza, l'alta resistenza all'usura e il basso coefficiente di attrito del rivestimento.
Di conseguenza, gli utensili rivestiti possono tagliare a una velocità più che doppia rispetto agli utensili non rivestiti e consentono avanzamenti più elevati.
Anche la durata degli utensili rivestiti è migliorata.
Forte versatilità
Gli utensili rivestiti hanno un'ampia versatilità e una vasta gamma di lavorazioni, e un utensile rivestito può essere utilizzato al posto di diversi utensili non rivestiti.
Spessore del rivestimento
La durata dell'utensile aumenta con l'aumentare dello spessore del rivestimento.
Tuttavia, quando lo spessore del rivestimento è saturo, la durata dell'utensile non aumenta più in modo significativo.
Se il rivestimento è troppo spesso, è facile che si stacchi, mentre se è troppo sottile, la resistenza all'abrasione è scarsa.
Regrind
La lama rivestita è caratterizzata da una scarsa rimacinazione, da apparecchiature di rivestimento complicate, da elevati requisiti di processo e da tempi di rivestimento lunghi.
Materiale di rivestimento
Gli utensili da taglio con diversi materiali di rivestimento hanno prestazioni di taglio diverse.
Ad esempio, i rivestimenti TiC sono vantaggiosi per il taglio a bassa velocità, mentre il TiN è adatto per il taglio ad alta velocità.
Applicazione di strumenti rivestiti
Gli utensili rivestiti hanno un grande potenziale nel campo della lavorazione CNC e in futuro saranno lo strumento più importante nel campo della lavorazione CNC.
La tecnologia di rivestimento è stata applicata a frese, alesatori, punte, utensili per la lavorazione di fori compositi, piani di cottura ad ingranaggi, frese a pignone, frese per rasatura, brocce di formatura e vari inserti indicizzabili per macchine.
Soddisfa le esigenze di lavorazione ad alta velocità di vari acciai e ghisa, leghe resistenti al calore e metalli non ferrosi.
Gli utensili in carburo, in particolare quelli in carburo indicizzabile, sono i prodotti di punta per gli utensili di lavorazione CNC.
A partire dagli anni '80, vari tipi di utensili o inserti in carburo integrale e indicizzabile sono stati estesi a diversi settori di utensili da taglio.
Tra questi, gli utensili in metallo duro indicizzabili sono stati ampliati da semplici utensili di tornitura e fresatura frontale a vari utensili di precisione, complessi e di formatura.
Tipo di utensile in carburo cementato
In base alla composizione chimica principale, il carburo cementato può essere suddiviso in lega dura a base di carburo di tungsteno e lega dura a base di carbonio (nitruro di titanio) (TiC(N)).
I carburi cementati a base di tungsteno includono il tungsteno cobalto (YG), il tungsteno cobalto titanio (YT) e i carburi rari (YW), ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi.
I componenti principali sono il carburo di tungsteno (WC), il carburo di titanio (TiC), il carburo di tantalio (TaC), il carburo di niobio (NbC), ecc. e la fase di legame metallico comunemente utilizzata è il Co.
Il carburo di titanio a base di carbonio (azoto) è una lega dura contenente TiC come componente principale (in parte addizionato con altri carburi o nitruri) e le fasi di legame metallico comunemente utilizzate sono Mo e Ni.
L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) classifica i carburi da taglio in tre categorie:
La classe K, che comprende le classi da K10 a K40, è equivalente alla classe YG della Cina (il componente principale è WC.Co).
La classe P, che comprende da P01 a P50, è equivalente a YT in Cina (il componente principale è WC.TiC.Co).
La classe M, che comprende da M10 a M40, è equivalente a YW in Cina (il componente principale è WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Ogni grado rappresenta una serie di leghe che vanno dall'alta durezza alla massima tenacità, con numeri compresi tra 01 e 50, rispettivamente.
Caratteristiche prestazionali degli utensili in carburo cementato
Elevata durezza
Gli utensili in metallo duro sono prodotti mediante metallurgia delle polveri a partire da carburi con elevata durezza e punti di fusione (chiamati fase dura) e leganti metallici (chiamati fasi legate).
La loro durezza è di 89-93 HRA, molto superiore a quella dell'acciaio rapido.
A 540°C, la durezza raggiunge ancora 82-87 HRA.
A temperatura ambiente, il valore della durezza è uguale a quello dell'acciaio rapido (83~86 HRA).
Il valore di durezza del carburo cementato varia in funzione della natura, della quantità, della dimensione delle particelle e del contenuto della fase metallica legata al carburo, e generalmente diminuisce all'aumentare del contenuto della fase metallica legata.
A parità di contenuto di fase legante, la durezza della lega YT è superiore a quella della lega YG.
La lega a cui viene aggiunto TaC (NbC) presenta una durezza ad alta temperatura.
Resistenza alla flessione e tenacità
La resistenza alla flessione dei carburi cementati comunemente utilizzati è compresa tra 900 e 1500 MPa.
Maggiore è il contenuto della fase di legame metallico, maggiore è la resistenza alla flessione.
A parità di contenuto di legante, la resistenza della lega a base di YG (WC-Co) è superiore a quella della lega a base di YT (WC-TiC-Co), mentre la resistenza diminuisce all'aumentare del contenuto di TiC.
Il carburo cementato è un materiale fragile e la sua tenacità all'impatto è solo 1/30~1/8 dell'acciaio rapido a temperatura ambiente.
Applicazioni degli utensili in metallo duro comunemente utilizzati
Le leghe YG sono utilizzate principalmente per la lavorazione di ghisa, metalli non ferrosi e materiali non metallici.
Le leghe dure a grana fine (come YG3X, YG6X) hanno una durezza e una resistenza all'usura superiori a quelle a grana media a parità di contenuto di cobalto. Sono adatte alla lavorazione di alcune ghise dure speciali, acciaio inossidabile austenitico, leghe resistenti al calore, leghe di titanio, bronzo duro e materiali isolanti resistenti all'usura.
I vantaggi principali dei carburi cementati di tipo YT sono l'elevata durezza, la buona resistenza al calore, l'elevata durezza e resistenza alla compressione ad alte temperature, la maggiore resistenza all'YG e la migliore resistenza all'ossidazione.
Pertanto, quando l'utensile richiede un'elevata resistenza al calore e all'usura, è necessario scegliere un grado con un alto contenuto di TiC.
Le leghe YT sono adatte alla lavorazione di materiali in acciaio, ma non sono adatte alla lavorazione di leghe di titanio e di silicio. leghe di alluminio.
Le leghe YW possiedono le proprietà delle leghe YG e YT e hanno buone proprietà globali. Possono essere utilizzate per la lavorazione di materiali in acciaio e per la lavorazione di ghisa e metalli non ferrosi.
Tali leghe, se il contenuto di cobalto è adeguatamente aggiunto, possono essere utilizzate ad alta resistenza e per la sgrossatura e il taglio interrotto di vari materiali difficili da lavorare.
L'acciaio ad alta velocità (HSS) è un acciaio per utensili ad alta lega con un maggior numero di elementi leganti come W, Mo, Cr e V.
Le frese in acciaio ad alta velocità hanno eccellenti proprietà globali in termini di resistenza, tenacità e lavorazione.
Per quanto riguarda gli utensili complessi, in particolare per la produzione di utensili per il taglio di fori, frese, frese per filetti, brocce, utensili da taglio e altri utensili complessi a forma di lama, l'acciaio ad alta velocità domina ancora.
Gli utensili in acciaio ad alta velocità sono facili da affilare.
Gli acciai rapidi possono essere classificati in acciai rapidi per usi generici e acciai rapidi ad alte prestazioni, a seconda dell'applicazione.
Universale acciaio ad alta velocità taglierina
L'acciaio per impieghi generali ad alta velocità può essere suddiviso in due tipi: acciaio al tungsteno e acciaio al tungsteno-molibdeno.
Questo tipo di acciaio ad alta velocità contiene da 0,7% a 0,9% di carbonio (C).
In base alla quantità di tungsteno contenuta nell'acciaio, può essere suddiviso in acciaio al tungsteno con 12% o 18% di tungsteno.
Un acciaio al tungsteno-molibdeno contenente 6% o 8% di tungsteno, e un acciaio al tungsteno e al polibdeno. acciaio al molibdeno contenenti 2% di tungsteno o nessuna.
L'acciaio per impieghi generali ad alta velocità ha una certa durezza (63-66 HRC) e resistenza all'usura, elevata resistenza e tenacità, buona plasticità e tecnologia di lavorazione.
Pertanto, è ampiamente utilizzato nella produzione di vari utensili complessi.
Acciaio al tungsteno
Il grado generale dell'acciaio al tungsteno per l'acciaio ad alta velocità è W18Cr4V (indicato come W18), che ha buone prestazioni globali. La durezza ad alta temperatura è di 48,5HRC a 600 °C e può essere utilizzata per produrre una varietà di utensili complessi. Presenta i vantaggi di una buona rettificabilità e di una bassa decarburazione sensibilità. Tuttavia, a causa dell'elevato contenuto di carburo, la distribuzione è meno uniforme, le particelle sono più grandi e la resistenza e la tenacità non sono elevate.
Acciaio al carburo di tungsteno
Si riferisce a un acciaio ad alta velocità ottenuto sostituendo una parte del tungsteno nell'acciaio al tungsteno con il molibdeno.
Il grado tipico di acciaio al tungsteno-molibdeno è W6Mo5Cr4V2 (indicato come M2).
Le particelle di carburo di M2 sono fini e uniformi, e la resistenza, la tenacità e la plasticità alle alte temperature sono migliori rispetto a W18Cr4V.
Un altro tipo di acciaio al tungsteno-molibdeno è il W9Mo3Cr4V (indicato come W9). La sua stabilità termica è leggermente superiore a quella dell'acciaio M2, la sua resistenza alla flessione e la sua tenacità sono migliori rispetto al W6Mo5Cr4V2 e ha una buona lavorabilità.
Fresa in acciaio rapido ad alte prestazioni
L'acciaio rapido ad alte prestazioni si riferisce a una nuova qualità di acciaio che aggiunge alcune contenuto di carbonioe il contenuto di vanadio e di elementi di lega come il Co e l'Al al componente in acciaio per impieghi generali ad alta velocità, migliorandone la resistenza al calore e all'usura.
Le categorie principali sono principalmente le seguenti:
Acciaio rapido ad alto tenore di carbonio
Acciaio rapido ad alto tenore di carbonio (come 95W18Cr4V), elevata durezza a temperatura ambiente e ad alta temperatura, adatto per la produzione di acciaio ordinario e ghisa, punte da trapano con elevata resistenza all'usura, alesatori, maschi e frese, o utensili per la lavorazione di materiali duri. Non adatto a grandi impatti.
Acciaio rapido ad alto tenore di vanadio
I gradi tipici, come il W12Cr4V4Mo (in breve EV4), aumentano la V da 3% a 5%.
Ha una buona resistenza all'usura ed è adatto al taglio di materiali con grande usura sull'utensile, come fibre, gomma dura, plastica, ecc. Può essere utilizzato anche per lavorare acciaio inossidabile, acciaio ad alta resistenza e leghe ad alta temperatura.
Acciaio rapido al cobalto
Si tratta di un acciaio super rapido contenente cobalto, con un grado tipico come W2Mo9Cr4VCo8 (indicato come M42).
Ha un'elevata durezza di 69-70 HRC ed è adatto per la lavorazione di materiali difficili da lavorare, come gli acciai resistenti al calore ad alta resistenza, le leghe ad alta temperatura e le leghe di acciaio. lega di titanio.
L'M42 è altamente rettificabile e adatto alla realizzazione di utensili complessi, ma non è adatto a lavorare in condizioni di taglio ad impatto.
Alluminio acciaio rapido
Si tratta di un tipo di acciaio super duro ad alta velocità, di grado tipico, come W6Mo5Cr4V2Al, (abbreviazione 501).
La durezza ad alta temperatura a 6000C raggiunge anche i 54HRC e le prestazioni di taglio sono equivalenti a quelle dell'M42.
Adatto alla produzione di frese, punte, alesatori, frese per ingranaggi, brocce, ecc. per la lavorazione acciaio legato, acciaio inossidabile, acciaio ad alta resistenza e leghe per alte temperature.
Acciaio superduro ad alta velocità all'azoto
Tipici gradi, come il W12M03Cr4V3N, indicato come (V3N), sono acciai superduri ad alta velocità contenenti azoto.
Durezza, resistenza e tenacità sono paragonabili a quelle dell'M42.
Può essere utilizzato come sostituto dell'acciaio ad alta velocità contenente cobalto per il taglio a bassa velocità di materiali difficili da lavorare e per la lavorazione ad alta precisione a bassa velocità.
Fusione dell'acciaio rapido e metallurgia delle polveri dell'acciaio rapido
In base ai diversi processi di produzione, l'acciaio rapido può essere suddiviso in acciaio rapido da fusione e acciaio rapido da metallurgia delle polveri.
Smacciaio rapido elting
Sia l'acciaio rapido ordinario che l'acciaio rapido ad alte prestazioni sono prodotti con un metodo di fusione.
Vengono trasformati in utensili attraverso processi come la fusione, la colata di lingotti e la laminazione.
Un problema serio che può verificarsi nella fusione dell'acciaio ad alta velocità è la segregazione dei carburi. I carburi duri e fragili sono distribuiti in modo non uniforme nell'acciaio ad alta velocità e presentano grani grossolani (fino a diverse decine di micron), il che influisce negativamente sulla resistenza all'usura, sulla tenacità e sulle prestazioni di taglio degli utensili in acciaio ad alta velocità.
Acciaio rapido con metallurgia delle polveri (PM HSS)
L'acciaio rapido da metallurgia delle polveri (PM HSS) è acciaio fuso da un forno a induzione ad alta frequenza e atomizzato con argon ad alta pressione o azoto puro. Viene quindi temprato per ottenere una struttura cristallina fine e uniforme (polvere di acciaio ad alta velocità). La polvere ottenuta viene poi pressata in un pezzo grezzo di lama ad alta temperatura e ad alta pressione, oppure formata prima in una lastra d'acciaio e poi forgiata e laminata in una forma di utensile.
Rispetto all'acciaio ad alta velocità prodotto con il metodo della fusione, il PM HSS presenta i vantaggi di grani di carburo fini e uniformi, oltre a una maggiore resistenza, tenacità e resistenza all'usura.
Nel campo degli utensili CNC complessi, gli utensili PM HSS svolgeranno un ruolo sempre più importante. Le qualità tipiche sono F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, ecc.
Può essere utilizzato per realizzare utensili di grandi dimensioni, pesanti e resistenti agli urti, nonché utensili di precisione.
Attualmente, i materiali per utensili CNC più utilizzati includono utensili in diamante, utensili in nitruro di boro cubico, utensili in ceramica, utensili rivestiti, utensili in metallo duro e utensili in acciaio ad alta velocità.
Il numero totale di materiali per utensili è elevato e le loro prestazioni variano notevolmente. I principali indicatori di prestazione dei vari materiali per utensili sono i seguenti:
| Tipi | Densità g/cm2 | Resistente al calore ℃ | Durezza | Piegatura forza Mpa | Termico conduttività w/(m.K） | Coefficiente di espansione termica ×10-5/℃ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Diamante policristallino | 3.47-3.56 | 700-800 | ＞9000HV | 600-1100 | 210 | 3.1 | |
| Carburo di boro cubico policristallino | 3.44-3.49 | 1300-1500 | 4500HV | 500-800 | 130 | 4.7 | |
| Coltello in ceramica | 3.1-5.0 | ＞1200 | 91-95HRA | 700-1500 | 15.0-38.0 | 7.0-9.0 | |
| Metallo duro cementato | Tungsteno cobalto | 14.0-15.5 | 800 | 89-91.5HRA | 1000-2350 | 74.5-87.9 | 3-7.5 |
| Tungsteno cobalto titanio | 9.0-14.0 | 900 | 89-92.5HRA | 800-1800 | 20.9-62.8 | ||
| Lega generale | 12.0-14.0 | 1000-1100 | ~92,5HRA | / | / | ||
| Lega a base di TiC | 5.0-7.0 | 1100 | 92-93.5HRA | 1150-1350 | / | 8.2 | |
| Acciaio ad alta velocità | 8.0-8.8 | 600-700 | 62-70HRC | 2000-4500 | 15.0-30.0 | 8-12 | |
I materiali degli utensili da taglio per la lavorazione CNC devono essere scelti in base al pezzo da lavorare e alla natura del processo.
La selezione dei materiali degli utensili da taglio deve essere adeguatamente abbinata all'oggetto lavorato. L'abbinamento del materiale dell'utensile da taglio con l'oggetto da lavorare si riferisce principalmente all'abbinamento delle proprietà meccaniche, fisiche e chimiche dei due per ottenere la massima durata dell'utensile e la massima produttività della lavorazione di taglio.
Il problema della corrispondenza delle proprietà meccaniche tra l'utensile da taglio e l'oggetto lavorato si riferisce principalmente ai parametri delle proprietà meccaniche, come la resistenza, la tenacità e la durezza dell'utensile e del materiale del pezzo.
I materiali degli utensili con diverse proprietà meccaniche sono adatti alla lavorazione dei materiali dei pezzi.
L'ordine di durezza del materiale degli utensili è il seguente: utensile in diamante > utensile in nitruro di boro cubico > utensile in ceramica > lega dura > acciaio ad alta velocità.
L'ordine di resistenza alla flessione dei materiali degli utensili è il seguente: acciaio rapido > lega dura > utensile in ceramica > utensile in diamante e nitruro di boro cubico.
L'ordine di tenacità del materiale degli utensili è il seguente: acciaio rapido > lega dura > nitruro di boro cubico, diamante e ceramica.
I materiali dei pezzi ad alta durezza devono essere lavorati con utensili di durezza superiore. La durezza del materiale dell'utensile deve essere superiore alla durezza del materiale del pezzo, generalmente superiore a 60 HRC. Maggiore è la durezza del materiale dell'utensile, migliore è la sua resistenza all'usura.
Ad esempio, quando la quantità di cobalto nel carburo cementato aumenta, la resistenza e la tenacità aumentano, la durezza diminuisce ed è adatta alla lavorazione grezza. Quando la quantità di cobalto diminuisce, la durezza e la resistenza all'usura aumentano e sono adatte alla finitura.
Gli utensili con eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura sono particolarmente adatti alla lavorazione ad alta velocità. Le eccellenti prestazioni ad alta temperatura degli utensili in ceramica ne consentono il taglio ad alta velocità, con velocità di taglio da 2 a 10 volte superiori a quelle dei carburi cementati.
Per la lavorazione dei materiali dei pezzi sono adatti utensili con proprietà fisiche diverse, come quelli in acciaio ad alta velocità con alta conducibilità termica e basso punto di fusione, quelli in ceramica con alto punto di fusione e bassa espansione termica e quelli in diamante con alta conducibilità termica e bassa espansione termica.
Quando si lavora un pezzo con scarsa conducibilità termica, è necessario utilizzare un materiale per utensili con una migliore conducibilità termica per consentire al calore di taglio di essere trasmesso rapidamente per ridurre la temperatura di taglio.
Grazie all'elevata conducibilità termica e alla diffusività termica del diamante, il calore di taglio viene facilmente dissipato e non provoca grandi deformazioni termiche. Questo aspetto è particolarmente importante per gli utensili di precisione con elevata accuratezza dimensionale.
Temperatura di resistenza al calore di vari materiali per utensili:
700~8000C per gli utensili in diamante, 13000～15000C per gli utensili in PCBN, 1100～12000C per gli utensili in ceramica, 900～11000C per le leghe dure a base di TiC(N), WC a grana ultrafine dura La qualità della lega va da 800 a 9000 C, mentre l'HSS va da 600 a 7000 C.
Sequenza di conducibilità termica di vari materiali per utensili:
PCD>PCBN>carburo cementato a base di PCD>carburo cementato a base di TiC(N)>HSS>ceramica a base di Si3N4>ceramica a base di A1203.
L'ordine del coefficiente di espansione termica dei vari materiali per utensili è:
HSS>carburo cementato a base di ceramica>TiC(N)>ceramica a base di A1203>PCBN>ceramica a base di Si3N4>PCD.
L'ordine di resistenza agli shock termici dei vari materiali per utensili è:
HSS>carburo cementato a base di WC>ceramica a base di Si3N4>PCBN>PCD>carburo cementato a base di TiC(N)>ceramica a base di A1203.
La corrispondenza delle proprietà chimiche del materiale dell'utensile da taglio con l'oggetto della lavorazione si riferisce principalmente alla corrispondenza delle proprietà chimiche del materiale dell'utensile con l'affinità chimica, la reazione chimica, la diffusione e la dissoluzione del materiale del pezzo.
Gli utensili di diverso materiale sono adatti alla lavorazione di diversi materiali del pezzo.
La temperatura di antiaderenza di vari materiali per utensili (e dell'acciaio) è:
PCBN>ceramica>leghe dure>HSS.
La temperatura di ossidazione di vari materiali per utensili è..:
ceramica>PCBN>lega dura>diamante>HSS.
La forza di diffusione di vari materiali per utensili (per l'acciaio) è:
diamante > ceramica a base di Si3N4 > PCBN > ceramica a base di A1203.
La forza di diffusione (per il titanio) è:
Ceramica a base A1203 > PCBN > SiC > Si3N4 > diamante.
In generale, gli utensili in PCBN, ceramica, carburo rivestito e carburo a base di TiCN sono adatti alla lavorazione CNC di metalli ferrosi come l'acciaio.
Gli utensili in PCD sono adatti alla lavorazione di materiali non ferrosi come Al, Mg, Cu, leghe e materiali non metallici.
La Tabella 2 elenca alcuni dei materiali dei pezzi adatti alla lavorazione con i materiali degli utensili di cui sopra.
| Utensile da taglio | Alto durezza acciaio | Il calore resistente lega | Titanio lega | Nichel basato superlega | Il getto ferro | Puro acciaio | Alto silicio alluminio lega | FRP composito materiale |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCD | × | × | ◎ | × | × | × | ◎ | ◎ |
| PCBN | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | ● | ● | |
| Coltello in ceramica | ◎ | ◎ | × | ◎ | ◎ | ● | × | × |
| Strato in carburo cementato | ○ | ◎ | ◎ | ● | ◎ | ◎ | ● | ● |
| Lega dura a base di TiCN | ● | × | × | × | ◎ | ● | × | × |
Nota:
Eccellente
○ - Buono
● - OK
× - Male
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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