Já se perguntou porque é que as suas ferramentas de maquinagem se desgastam tão rapidamente? Este artigo analisa as propriedades essenciais e os tipos de materiais de ferramentas de corte, explicando como os avanços na dureza, tenacidade e resistência ao calor podem aumentar a vida útil das ferramentas e a eficiência da maquinagem. Descubra as características e aplicações das ferramentas de diamante, nitreto cúbico de boro, cerâmica, revestidas, carboneto e aço rápido. No final, compreenderá como a escolha do material correto pode ter um impacto significativo nas suas operações de maquinagem.
O equipamento de processamento avançado e as ferramentas CNC de elevado desempenho podem utilizar plenamente o seu desempenho e obter bons benefícios económicos.
Com o rápido desenvolvimento dos materiais para ferramentas, as propriedades físicas e mecânicas e o desempenho de corte de vários novos materiais para ferramentas foram muito melhorados e a gama de aplicações tem vindo a expandir-se continuamente.
A escolha dos materiais das ferramentas de corte tem um grande impacto na vida útil da ferramenta, na eficiência da maquinação, na qualidade da maquinação e nos custos de maquinação. A ferramenta deve suportar alta pressão, alta temperatura, fricção, choque e vibração durante o corte. Por conseguinte, o material da ferramenta de corte deve ter as seguintes propriedades básicas:
(1) Dureza e resistência ao desgaste.
A dureza do material da ferramenta de corte deve ser superior à dureza do material da peça de trabalho, geralmente exigida para ser superior a 60HRC.
Quanto maior for a dureza do material da ferramenta, melhor será a resistência ao desgaste.
(2) Força e tenacidade.
Materiais para ferramentas de corte deve ter uma elevada resistência e tenacidade para suportar as forças de corte, os choques e as vibrações e evitar a fratura frágil e a lascagem da ferramenta.
(3) Resistência ao calor.
O material da ferramenta de corte deve ter boa resistência ao calor, suportar altas temperaturas de corte e ter boa resistência à oxidação.
(4) Desempenho e economia do processo.
O material da ferramenta deve ter um bom desempenho de forjamento, de tratamento térmico, de soldadura, de retificação, etc., e procurar obter uma elevada relação desempenho/preço.
O diamante é um isómero do carbono, o material mais duro alguma vez encontrado na natureza.
As ferramentas de corte diamantadas têm alta dureza, alta resistência ao desgaste e alta condutividade térmica, e são amplamente utilizadas no processamento de metais não ferrosos e nãomateriais metálicos.
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Especialmente na maquinação a alta velocidade de alumínio e ligas de silício-alumínio, as ferramentas de diamante são as principais tipos de corte ferramentas que são difíceis de substituir. As ferramentas diamantadas podem alcançar alta eficiência, alta estabilidade e longa vida útil, e são indispensáveis nos modernos processos de maquinação CNC.
Tipo de cortador de diamantes
Cortador de diamantes naturais
Os diamantes naturais são utilizados como ferramentas de corte há centenas de anos. A ferramenta de diamante natural monocristalino é finamente polida e a aresta pode ser afiada com um raio de corte de 0,002 μm. O corte ultra-fino permite uma precisão extremamente elevada da peça de trabalho e uma rugosidade da superfície. É uma ferramenta de maquinagem de ultraprecisão reconhecida, ideal e insubstituível.
Cortador de diamante PCD
Os diamantes naturais são caros. O diamante amplamente utilizado na maquinagem de corte é o diamante policristalino (PCD). Desde o início da década de 1970, o diamante policristalino (lâmina PCD) foi desenvolvido com sucesso, e as ferramentas de diamante natural são substituídas por diamante policristalino sintético.
As matérias-primas de PCD são abundantes e o preço é apenas alguns décimos a um décimo do preço do diamante natural. As ferramentas de PCD não podem produzir arestas vivase a qualidade da superfície da peça maquinada não é tão boa como a do diamante natural.
Atualmente, não é fácil fabricar pastilhas de PCD com quebra-cavacos na indústria. Por conseguinte, o PCD só pode ser utilizado para o corte fino de metais não ferrosos e não metálicos, sendo difícil conseguir um corte espelhado de ultra-precisão.
Cortador de diamante CVD
Desde o final da década de 1970 até ao início da década de 1980, a tecnologia de diamante CVD surgiu no Japão. O diamante CVD refere-se à síntese de uma película de diamante num substrato heterogéneo (como o carboneto cimentado(ou seja, o diamante natural, a cerâmica, etc.) por deposição de vapor químico (CVD). O diamante CVD tem exatamente a mesma estrutura e propriedades que o diamante natural.
O desempenho do diamante CVD é muito próximo do do diamante natural e tem as vantagens do diamante monocristalino natural e do diamante policristalino (PCD) e, em certa medida, supera as suas deficiências.
Diamante corte características de desempenho da ferramenta
Dureza e resistência ao desgaste extremamente elevadas
O diamante natural é a substância mais dura que existe na natureza. O diamante tem uma resistência ao desgaste muito elevada. Ao maquinar materiais de elevada dureza, a vida útil das ferramentas de diamante é 10 a 100 vezes, ou mesmo centenas de vezes, a das ferramentas de carboneto cimentado.
Tem um coeficiente de atrito muito baixo
O coeficiente de atrito entre o diamante e alguns metais não ferrosos é mais baixo do que o de outras ferramentas. O baixo coeficiente de atrito resulta numa menor deformação durante o processamento e numa força de corte reduzida.
O fio de corte é muito afiado
A aresta de corte da ferramenta de diamante pode ser afiada. As ferramentas de diamante de cristal único natural podem atingir uma nitidez de aresta tão elevada como 0,002~0,008 μm para corte ultra-fino e maquinagem de ultra-precisão.
Elevada condutividade térmica
A condutividade térmica e a difusividade térmica do diamante são elevadas. Isto permite que o calor de corte seja facilmente dissipado, resultando numa temperatura de corte mais baixa da ferramenta.
Tem um coeficiente de expansão térmica mais baixo
O diamante tem um coeficiente de expansão térmica que é várias vezes menor do que o do metal duro. A pequena mudança no tamanho da ferramenta causada pelo calor do corte é especialmente importante para a usinagem de precisão e ultraprecisão, onde a precisão dimensional é crítica.
Aplicação de ferramentas diamantadas
As ferramentas diamantadas são utilizadas principalmente para corte fino e perfuração de materiais não ferrosos e não metálicos a altas velocidades. São adequadas para o processamento de vários materiais não metálicos resistentes ao desgaste, tais como peças em bruto de metalurgia do pó FRP, materiais cerâmicos, etc., bem como vários metais não ferrosos resistentes ao desgaste, tais como várias ligas de silício-alumínio e acabamento de metais não ferrosos.
No entanto, a desvantagem das ferramentas de diamante é a sua fraca estabilidade térmica. Quando a temperatura de corte excede os 700°C a 800°C, a dureza do diamante perde-se completamente. Além disso, as ferramentas de diamante não são adequadas para cortar metais ferrosos, uma vez que o diamante (carbono) pode interagir facilmente com átomos de ferro a altas temperaturas, convertendo os átomos de carbono em estruturas de grafite, o que pode tornar a ferramenta extremamente frágil.
O segundo material superduro, o nitreto de boro cúbico (CBN), sintetizado através de um método semelhante ao método de fabrico do diamante, só fica atrás do diamante em termos de dureza e condutividade térmica.
Possui excelente estabilidade térmica e não oxida quando aquecido a 10.000 ℃ em uma atmosfera.
O CBN tem propriedades químicas extremamente estáveis para metais ferrosos e pode ser amplamente utilizado no processamento de produtos de aço.
Tipo de ferramenta de nitreto de boro cúbico
O nitreto cúbico de boro (CBN) é uma substância que não existe na natureza.
Existem dois tipos: monocristalino e policristalino, nomeadamente o CBN monocristalino e o nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN).
O CBN é um dos isómeros do nitreto de boro (BN) e tem uma estrutura semelhante à do diamante.
O PCBN (nitreto de boro cúbico policristalino) é um material policristalino em que materiais CBN finos são sinterizados em conjunto através de uma fase de ligação (TiC, TiN, Al, Ti, etc.) a alta temperatura e alta pressão.
Atualmente, é um material para ferramentas que utiliza uma dureza sintetizada artificialmente próxima da do diamante.
É coletivamente referido como um material de ferramenta super duro.
O PCBN é utilizado principalmente para fabricar ferramentas.
As ferramentas PCBN podem ser divididas em pastilhas integrais de PCBN e pastilhas compostas de PCBN sinterizadas com carboneto cimentado.
A lâmina composta de PCBN é formada pela sinterização de uma camada de PCBN de 0,5~1,0 mm de espessura sobre carboneto cimentado com boa resistência e tenacidade.
As suas propriedades combinam boa tenacidade, elevada dureza e resistência ao desgaste.
Resolve os problemas de baixa resistência à flexão e de difícil soldadura das pastilhas de CBN.
Principais propriedades e características do nitreto de boro cúbico
Embora a dureza do nitreto de boro cúbico seja ligeiramente inferior à do diamante, é muito superior à de outros materiais de elevada dureza.
A grande vantagem do CBN é o facto de a sua estabilidade térmica ser muito superior à do diamante, até 1200 °C (em comparação com os 700-800 °C do diamante).
Outra vantagem notável é o facto de ser quimicamente inerte e não reagir quimicamente com o ferro a 1200-1300 °C.
As principais características de desempenho do nitreto de boro cúbico são as seguintes
Elevada dureza e resistência ao desgaste
A estrutura cristalina do CBN é semelhante à do diamante e tem dureza e resistência.
O PCBN é particularmente adequado para o processamento de materiais de elevada dureza que só podem ser retificados anteriormente, e pode alcançar uma qualidade de superfície superior da peça de trabalho.
Elevada estabilidade térmica
A resistência ao calor do CBN pode chegar a 1400 a 1500°C, que é quase duas vezes maior que a resistência ao calor do diamante (700 a 800°C).
As ferramentas PCBN podem cortar superligas e aços endurecidos a velocidades 3 a 5 vezes mais rápidas do que as ferramentas de carboneto.
Excelente estabilidade química
Não desempenha um papel químico com materiais à base de ferro até 1200-1300 ℃.
Não sofre um desgaste tão acentuado como o diamante, mas mantém a dureza do carboneto cimentado.
As ferramentas PCBN são adequadas para cortar peças de aço endurecido e ferro fundido refrigerado, e podem ser amplamente utilizadas para o corte a alta velocidade de ferro fundido.
Tem boa condutividade térmica
Embora a condutividade térmica do CBN não consiga acompanhar a do diamante, a condutividade térmica do PCBN em vários materiais de ferramentas só fica atrás do diamante, que é muito superior à do aço rápido e liga dura.
Tem um coeficiente de atrito mais baixo
Um baixo coeficiente de atrito resulta em forças de corte reduzidas durante o corte, temperaturas de corte reduzidas e melhor qualidade da superfície.
Aplicação de ferramentas de nitreto de boro cúbico
O nitreto de boro cúbico é adequado para o acabamento de materiais difíceis de cortar, como aço endurecido, ferro fundido duro, superligas, ligas duras e materiais de pulverização de superfície.
A precisão do processamento pode atingir IT5 (o furo é IT6), e o valor da rugosidade da superfície pode ser tão pequeno quanto Ra 1,25 a 0,20 μm.
O material da ferramenta de nitreto de boro cúbico tem baixa tenacidade e resistência à flexão. Por conseguinte, as ferramentas de torneamento de nitreto de boro cúbico não são adequadas para maquinagem em bruto com baixa velocidade e grande carga de impacto. Além disso, não são adequadas para o corte de materiais plásticos (como liga de alumínio, liga de cobre, liga à base de níquel, aço com grande plasticidade, etc.) porque o corte destes metais pode causar uma aresta de acumulação grave, que pode deteriorar a superfície maquinada.
As facas de cerâmica têm as características de elevada dureza, boa resistência ao desgaste, excelente resistência ao calor e estabilidade química, e não são fáceis de ligar a metais.
As ferramentas de cerâmica desempenham um papel importante na maquinagem CNC e tornaram-se uma das principais ferramentas para corte a alta velocidade e materiais difíceis de maquinar.
As ferramentas de cerâmica são amplamente utilizadas para corte a alta velocidade, corte a seco, corte duro e maquinagem de materiais difíceis de maquinar.
As facas de cerâmica podem processar eficazmente materiais de elevada dureza que as facas tradicionais não conseguem processar de todo e obter "fresagem em vez de retificação".
A velocidade de corte ideal das ferramentas de cerâmica pode ser 2 a 10 vezes superior à das ferramentas de metal duro, melhorando consideravelmente a eficiência da produção de corte.
A principal matéria-prima utilizada nos materiais das ferramentas de cerâmica é o elemento mais abundante na crosta terrestre. Por conseguinte, a promoção e aplicação de ferramentas de cerâmica é de grande importância para melhorar a produtividade, reduzir os custos de processamento e poupar metais preciosos estratégicos. Isto irá promover grandemente o avanço da tecnologia de corte.
Tipos de materiais para ferramentas de cerâmica
Os tipos de materiais cerâmicos para ferramentas podem ser geralmente divididos em três categorias: cerâmicas à base de alumina, cerâmicas à base de nitreto de silício e cerâmicas compostas à base de nitreto de silício e alumina.
Entre eles, os materiais cerâmicos para ferramentas à base de alumina e nitreto de silício são os mais utilizados.
As cerâmicas à base de nitreto de silício são superiores às cerâmicas à base de alumina.
Desempenho e características das ferramentas de cerâmica
Elevada dureza e boa resistência ao desgaste
Embora a dureza das ferramentas de cerâmica não seja tão elevada como a do PCD e do PCBN, é muito superior à das ferramentas de ligas duras e de aço rápido, atingindo 93-95 HRA.
As ferramentas cerâmicas podem processar materiais de elevada dureza que são difíceis de maquinar com ferramentas tradicionais e são adequadas para corte a alta velocidade e corte duro.
Resistência a altas temperaturas e ao calor
As ferramentas de cerâmica podem ainda cortar a temperaturas superiores a 1200°C.
As ferramentas de cerâmica têm boas propriedades mecânicas a alta temperatura.
A ferramenta de cerâmica Al2O3 tem uma excelente resistência à oxidação e a aresta de corte pode ser utilizada continuamente, mesmo em estado de brasa.
Por conseguinte, as ferramentas de cerâmica podem efetuar um corte a seco, eliminando a necessidade de fluido de corte.
Boa estabilidade química
As facas de cerâmica não são fáceis de ligar ao metal e têm boa resistência à corrosão e estabilidade química, o que pode reduzir o desgaste de ligação da ferramenta.
Baixo coeficiente de atrito
As facas de cerâmica têm uma baixa afinidade com os metais e um baixo coeficiente de atrito, o que reduz as forças de corte e as temperaturas de corte.
Aplicação de ferramentas de cerâmica
A cerâmica é um dos materiais de ferramentas utilizados principalmente para o acabamento e semi-acabamento a alta velocidade.
As fresas de cerâmica são adequadas para cortar todos os tipos de ferro fundido (ferro fundido cinzento, ferro dúctil, ferro fundido maleável, ferro fundido refrigerado, ferro fundido de alta liga resistente ao desgaste) e aço (aço estrutural de carbono, aço estrutural de liga, aço de alta resistênciaaço com elevado teor de manganésio, aço temperado, etc.). Também podem ser utilizadas para cortar ligas de cobre, grafite, plásticos de engenharia e compósitos.
O desempenho dos materiais cerâmicos para ferramentas tem uma baixa resistência à flexão e uma fraca resistência ao impacto, e não são adequados para corte a baixa velocidade e carga de impacto.
O revestimento da ferramenta é uma das formas importantes de melhorar o desempenho da ferramenta.
O aparecimento de ferramentas revestidas fez um grande avanço no desempenho de corte de ferramentas.
Uma ferramenta revestida é revestida com uma ou mais camadas de um composto refratário com boa resistência ao desgaste num corpo de ferramenta mais resistente. Isto combina a base da ferramenta com um revestimento duro para maximizar o desempenho da ferramenta.
As ferramentas revestidas podem aumentar a eficiência da maquinagem, aumentar a precisão da maquinagem, prolongar a vida útil da ferramenta e reduzir os custos de maquinagem.
Cerca de 80% das ferramentas de corte utilizadas nas novas Máquina CNC utilizar ferramentas revestidas.
As ferramentas revestidas serão, no futuro, a ferramenta mais importante no domínio da maquinagem CNC.
Tipo de ferramenta revestida
De acordo com o método de revestimento:
As ferramentas revestidas podem ser divididas em ferramentas revestidas por deposição química de vapor (CVD) e ferramentas revestidas por deposição física de vapor (PVD).
As ferramentas de metal duro revestidas são geralmente revestidas utilizando o método de deposição química de vapor com uma temperatura de deposição de cerca de 1000°C.
As ferramentas de aço rápido revestidas adoptam geralmente o método de deposição física de vapor e a temperatura de deposição é de cerca de 500°C.
De acordo com a diferença do material de base da ferramenta de revestimento:
As ferramentas revestidas podem ser divididas em ferramentas revestidas de metal duro, ferramentas revestidas de aço rápido e ferramentas revestidas de materiais cerâmicos e superduros (diamante e nitreto cúbico de boro).
De acordo com a natureza do material de revestimento:
As ferramentas revestidas podem ser divididas em duas grandes categorias, nomeadamente ferramentas revestidas "duras" e ferramentas revestidas "macias".
O principal objetivo das ferramentas com revestimento "duro" é a elevada dureza e a resistência ao desgaste. As suas principais vantagens são a elevada dureza e a boa resistência ao desgaste, normalmente revestimentos de TiC e TiN.
O objetivo das ferramentas com revestimento "macio" é um baixo coeficiente de atrito, também conhecido como ferramentas auto-lubrificantes. O seu coeficiente de atrito com o material da peça de trabalho é muito baixo, apenas cerca de 0,1, o que pode reduzir a ligação, o atrito, a força de corte e a temperatura de corte.
Recentemente, foram desenvolvidas ferramentas de nanoeoating.
Esta ferramenta revestida pode ser utilizada em diferentes combinações de materiais de revestimento (tais como metal/metal, metal/cerâmica, cerâmica/cerâmica, etc.) para satisfazer diferentes requisitos funcionais e de desempenho.
O nano-revestimento bem concebido permite que o material da ferramenta tenha excelentes propriedades anti-fricção e anti-desgaste, tornando-o adequado para o corte a seco a alta velocidade.
Características da ferramenta de revestimento
Boa mecânica e desempenho de corte
A ferramenta revestida combina as excelentes propriedades do material de base e do material de revestimento para manter a boa tenacidade e a elevada resistência do substrato, bem como a elevada dureza, a elevada resistência ao desgaste e o baixo coeficiente de atrito do revestimento.
Como resultado, as ferramentas revestidas podem cortar mais do dobro da velocidade das ferramentas não revestidas e permitem taxas de avanço mais elevadas.
A vida útil das ferramentas revestidas também é melhorada.
Forte versatilidade
As ferramentas revestidas têm uma vasta gama de versatilidade e uma vasta gama de processamento, e uma ferramenta revestida pode ser utilizada em vez de várias ferramentas não revestidas.
Espessura do revestimento
A vida útil da ferramenta aumenta à medida que a espessura do revestimento aumenta.
No entanto, quando a espessura do revestimento está saturada, a vida útil da ferramenta já não aumenta significativamente.
Quando o revestimento é demasiado espesso, é fácil causar descamação, e quando o revestimento é demasiado fino, a resistência à abrasão é fraca.
Regrind
A lâmina revestida tem uma má trituração, equipamento de revestimento complicado, requisitos de processo elevados e tempo de revestimento longo.
Material de revestimento
As ferramentas de corte com diferentes materiais de revestimento têm diferentes desempenhos de corte.
Por exemplo, os revestimentos TiC têm uma vantagem quando cortam a baixas velocidades, e o TiN é adequado para o corte a alta velocidade.
Aplicação de ferramentas revestidas
As ferramentas revestidas têm um grande potencial no domínio da maquinagem CNC e serão, no futuro, a ferramenta mais importante no domínio da maquinagem CNC.
A tecnologia de revestimento tem sido aplicada a fresas de topo, alargadores, brocas, ferramentas de maquinagem de furos compostos, placas de velocidades, fresas de pinhão, fresas de corte, brochas de conformação e várias pastilhas intercambiáveis para máquinas.
Satisfaz as necessidades de maquinação a alta velocidade de vários aços e ferro fundido, ligas resistentes ao calor e metais não ferrosos.
As ferramentas de metal duro, especialmente as ferramentas de metal duro indexáveis, são os principais produtos para ferramentas de maquinagem CNC.
Desde a década de 1980, vários tipos de ferramentas ou pastilhas de metal duro integrais e indexáveis foram alargados a vários domínios de ferramentas de corte.
Entre elas, as ferramentas de metal duro intercambiáveis foram expandidas de simples ferramentas de torneamento para fresagem frontal cortadores para várias ferramentas de precisão, complexas e de moldagem.
Tipo de ferramenta de metal duro
De acordo com a composição química principal, o carboneto cimentado pode ser dividido em liga dura à base de carboneto de tungsténio e liga dura à base de carbono (nitreto de titânio) (TiC(N)).
Os carbonetos cimentados à base de carboneto de tungsténio incluem o tungsténio-cobalto (YG), o tungsténio-cobalto-titânio (YT) e os carbonetos raros (YW), cada um dos quais com vantagens e desvantagens.
Os principais componentes são o carboneto de tungsténio (WC), o carboneto de titânio (TiC), o carboneto de tântalo (TaC), o carboneto de nióbio (NbC), etc., e a fase de ligação metálica normalmente utilizada é o Co.
O carboneto cimentado à base de titânio e carbono (azoto) é uma liga dura que contém TiC como componente principal (alguns dos quais são adicionados com outros carbonetos ou nitretos), e as fases de ligação metálica normalmente utilizadas são Mo e Ni.
A Organização Internacional de Normalização (ISO) classifica os carbonetos de corte em três categorias:
A classe K, incluindo K10 a K40, é equivalente à classe YG da China (o componente principal é WC.Co).
A classe P, incluindo P01 a P50, é equivalente a YT na China (o componente principal é WC.TiC.Co).
A classe M, incluindo M10 a M40, é equivalente a YW na China (o componente principal é WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Cada classe representa uma série de ligas de elevada dureza a máxima tenacidade, com números entre 01 e 50, respetivamente.
Características de desempenho das ferramentas de metal duro
Elevada dureza
As ferramentas de metal duro são fabricadas por metalurgia do pó a partir de carbonetos com elevada dureza e pontos de fusão (designados por fase dura) e ligantes metálicos (designados por fases ligadas).
A sua dureza é de 89-93 HRA, muito superior à do aço rápido.
A 540°C, a dureza ainda atinge 82-87 HRA.
À temperatura ambiente, o valor de dureza é o mesmo que o do aço rápido (83~86 HRA).
O valor da dureza do carboneto cimentado varia com a natureza, quantidade, tamanho das partículas e conteúdo da fase metálica ligada do carboneto, e geralmente diminui à medida que o conteúdo da fase metálica ligada aumenta.
Quando o conteúdo da fase ligante é o mesmo, a dureza da liga YT é maior do que a da liga YG.
A liga à qual é adicionado TaC (NbC) apresenta uma dureza a alta temperatura.
Resistência à flexão e tenacidade
A resistência à flexão dos carbonetos cimentados normalmente utilizados é da ordem dos 900~1500 MPa.
Quanto maior for o teor da fase de ligação metálica, maior será a resistência à flexão.
Quando o teor do ligante é o mesmo, a resistência da liga à base de YG (WC-Co) é superior à da liga à base de YT (WC-TiC-Co), e a resistência diminui à medida que o teor de TiC aumenta.
O carboneto cimentado é um material frágil, e a sua resistência ao impacto é apenas 1/30~1/8 do aço rápido à temperatura ambiente.
Aplicações de cferramentas de metal duro usadas exclusivamente
As ligas YG são principalmente utilizadas para processar ferro fundido, metais não ferrosos e materiais não metálicos.
As ligas duras de grão fino (como YG3X, YG6X) têm maior dureza e resistência ao desgaste do que as ligas de grão médio quando o teor de cobalto é o mesmo. São adequadas para o processamento de alguns tipos especiais de ferro fundido duro, aço inoxidável austenítico, ligas resistentes ao calor, ligas de titânio, bronze duro e materiais de isolamento resistentes ao desgaste.
As principais vantagens dos carbonetos cimentados do tipo YT são a elevada dureza, a boa resistência ao calor, a elevada dureza e resistência à compressão a altas temperaturas, a maior resistência ao YG e a melhor resistência à oxidação.
Por conseguinte, quando a ferramenta requer uma elevada resistência ao calor e ao desgaste, deve ser selecionada uma qualidade com um elevado teor de TiC.
As ligas YT são adequadas para o processamento de materiais de aço, mas não são adequadas para o processamento de ligas de titânio e silício ligas de alumínio.
As ligas YW têm as propriedades das ligas YG e YT e têm boas propriedades globais. Podem ser utilizadas para o processamento de materiais de aço, bem como para o processamento de ferro fundido e metais não ferrosos.
Estas ligas, se o teor de cobalto for corretamente adicionado, podem ser utilizadas com elevada resistência e para desbaste e corte interrompido de vários materiais difíceis de maquinar.
O aço rápido (HSS) é um aço para ferramentas de alta liga com mais elementos de liga, como W, Mo, Cr e V.
As fresas de aço rápido têm excelentes propriedades abrangentes em termos de resistência, dureza e manufatura.
Nas ferramentas complexas, especialmente para a produção de ferramentas de corte de furos, fresas, fresas de rosca, brochas, ferramentas de corte e outras ferramentas complexas em forma de lâmina, o aço rápido continua a dominar.
As ferramentas de aço de alta velocidade são fáceis de afiar e têm arestas de corte afiadas.
O aço rápido pode ser classificado em aço rápido para fins gerais e aço rápido de alto desempenho, consoante a aplicação.
Universal aço de alta velocidade cortador
O aço rápido de uso geral pode ser dividido em dois tipos: aço de tungsténio e aço de tungsténio-molibdénio.
Este tipo de aço rápido contém 0,7% a 0,9% de carbono (C).
De acordo com a quantidade de tungsténio contido no aço, este pode ser dividido em aço de tungsténio com 12% ou 18% de tungsténio.
Um aço de tungsténio-molibdénio contendo 6% ou 8% de tungsténio, e um aço molibdénio com 2% de tungsténio ou sem tungsténio.
O aço rápido de uso geral tem uma certa dureza (63-66 HRC) e resistência ao desgaste, alta resistência e tenacidade, boa plasticidade e tecnologia de processamento.
Por conseguinte, é amplamente utilizado no fabrico de várias ferramentas complexas.
Aço de tungsténio
O tipo geral de aço de tungsténio para aço rápido é o W18Cr4V (referido como W18), que tem um bom desempenho global. A dureza a alta temperatura é de 48,5HRC a 600 °C e pode ser utilizada para fabricar uma variedade de ferramentas complexas. Tem as vantagens de uma boa capacidade de retificação e baixa descarbonização sensibilidade. No entanto, devido ao elevado teor de carboneto, a distribuição é menos uniforme, as partículas são maiores e a resistência e tenacidade não são elevadas.
Aço de carboneto de tungsténio
Refere-se a um aço rápido obtido através da substituição de uma parte do tungsténio do aço de tungsténio por molibdénio.
A qualidade típica do aço de tungsténio-molibdénio é W6Mo5Cr4V2 (referido como M2).
As partículas de carboneto de M2 são finas e uniformes, e a resistência, a tenacidade e a plasticidade a alta temperatura são melhores do que as de W18Cr4V.
Outro tipo de aço de tungsténio-molibdénio é o W9Mo3Cr4V (referido como W9). A sua estabilidade térmica é ligeiramente superior à do aço M2 e a sua resistência à flexão e tenacidade são melhores do que as do W6Mo5Cr4V2, e tem boa maquinabilidade.
Fresa de aço rápido de elevado desempenho
O aço rápido de alto desempenho refere-se a uma nova categoria de aço que acrescenta alguns teor de carbonoe elementos de liga como o Co e o Al para o componente de aço rápido de uso geral, melhorando assim a sua resistência ao calor e ao desgaste.
As principais categorias são as seguintes:
Aço rápido de alto carbono
Aço rápido com elevado teor de carbono (como 95W18Cr4V), elevada dureza à temperatura ambiente e a alta temperatura, adequado para o fabrico de aço comum e ferro fundido, brocas com elevada resistência ao desgaste, escareador, torneira e fresa, ou ferramentas para o processamento de materiais duros. Não é adequado para grandes impactos.
Aço rápido de alto vanádio
Classes típicas, como W12Cr4V4Mo, (EV4 para abreviar), aumentam V para 3% a 5%.
Tem boa resistência ao desgaste e é adequado para cortar materiais com grande desgaste na ferramenta, como fibra, borracha dura, plástico, etc. Também pode ser utilizado para processar aço inoxidável, aço de alta resistência e ligas de alta temperatura.
Aço de alta velocidade cobalto
É um aço super-rápido que contém cobalto, com um grau típico como o W2Mo9Cr4VCo8 (referido como M42).
Tem uma elevada dureza de 69-70 HRC e é adequado para o processamento de materiais difíceis de maquinar, tais como aço resistente ao calor de alta resistência, liga de alta temperatura e liga de titânio.
O M42 é altamente retificável e adequado para o fabrico de ferramentas complexas, mas não é adequado para trabalhar em condições de corte de impacto.
Aço rápido de alumínio
É um tipo de aço rápido superduro de alumínio, de grau típico, como o W6Mo5Cr4V2Al, (abreviatura 501).
A dureza a alta temperatura a 6000C também atinge 54HRC, e o desempenho de corte é equivalente ao M42.
Adequado para o fabrico de fresas, brocas, alargadores, fresas de engrenagens, broches, etc., para o tratamento liga de açoaço inoxidável, aço de alta resistência e ligas de alta temperatura.
Aço rápido superduro com nitrogénio
As qualidades típicas, como o W12M03Cr4V3N, referido como (V3N), são aços rápidos superduros contendo azoto.
A dureza, a resistência e a tenacidade são comparáveis às do M42.
Pode ser utilizado como substituto do aço rápido contendo cobalto para corte a baixa velocidade de materiais difíceis de maquinar e maquinação a baixa velocidade de alta precisão.
Fundição de aço de alta velocidade e metalurgia do pó de aço de alta velocidade
De acordo com os diferentes processos de fabrico, o aço de alta velocidade pode ser dividido em aço de alta velocidade para fundição e aço de alta velocidade para metalurgia do pó.
Smelting de aço rápido
Tanto o aço rápido normal como o aço rápido de alto desempenho são fabricados através de um método de fusão.
São transformados em ferramentas através de processos como a fundição, a fundição de lingotes e a laminagem.
Um problema grave que é suscetível de ocorrer na fundição de aço rápido é a segregação de carbonetos. Os carbonetos duros e quebradiços estão distribuídos de forma desigual no aço rápido e têm grãos grosseiros (até várias dezenas de microns), o que afecta negativamente a resistência ao desgaste, a tenacidade e o desempenho de corte das ferramentas de aço rápido.
Aço rápido para metalurgia do pó (PM HSS)
O aço rápido para metalurgia do pó (PM HSS) é aço fundido fundido num forno de indução de alta frequência e atomizado com árgon de alta pressão ou azoto puro. Em seguida, é temperado para obter uma estrutura cristalina fina e uniforme (pó de aço rápido). O pó obtido é então prensado numa placa de lâmina sob alta temperatura e alta pressão, ou primeiro formado numa placa de aço e depois forjado e laminado numa forma de ferramenta.
Em comparação com o aço rápido produzido pelo método de fusão, o PM HSS tem as vantagens de grãos de carboneto finos e uniformes, bem como maior resistência, tenacidade e resistência ao desgaste.
No domínio das ferramentas CNC complexas, as ferramentas PM HSS desempenharão um papel cada vez mais importante. As classes típicas incluem F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, etc.
Pode ser utilizado para fabricar ferramentas de grandes dimensões, resistentes ao impacto e de grande dimensão, bem como ferramentas de precisão.
Atualmente, os materiais de ferramentas CNC amplamente utilizados incluem ferramentas de diamante, ferramentas de nitreto de boro cúbico, ferramentas de cerâmica, ferramentas revestidas, ferramentas de carboneto e ferramentas de aço rápido.
O número total de materiais para ferramentas é grande e o seu desempenho varia muito. Os principais indicadores de desempenho dos vários materiais de ferramentas são os seguintes:
| Tipos | Densidade g/cm2 | Resistente ao calor ℃ | Dureza | Dobragem força Mpa | Térmica condutividade w/(m.K） | Coeficiente de expansão térmica ×10-5/℃ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Diamante policristalino | 3.47-3.56 | 700-800 | ＞9000HV | 600-1100 | 210 | 3.1 | |
| Carboneto de boro cúbico policristalino | 3.44-3.49 | 1300-1500 | 4500HV | 500-800 | 130 | 4.7 | |
| Faca de cerâmica | 3.1-5.0 | ＞1200 | 91-95HRA | 700-1500 | 15.0-38.0 | 7.0-9.0 | |
| Carboneto cimentado | Tungsténio-cobalto | 14.0-15.5 | 800 | 89-91.5HRA | 1000-2350 | 74.5-87.9 | 3-7.5 |
| Tungsténio cobalto titânio | 9.0-14.0 | 900 | 89-92.5HRA | 800-1800 | 20.9-62.8 | ||
| Liga geral | 12.0-14.0 | 1000-1100 | ~92,5HRA | / | / | ||
| Liga à base de TiC | 5.0-7.0 | 1100 | 92-93.5HRA | 1150-1350 | / | 8.2 | |
| Aço de alta velocidade | 8.0-8.8 | 600-700 | 62-70HRC | 2000-4500 | 15.0-30.0 | 8-12 | |
Os materiais das ferramentas de corte para maquinagem CNC devem ser seleccionados com base na peça a maquinar e na natureza do processo.
A seleção dos materiais das ferramentas de corte deve ser adequadamente adaptada ao objeto maquinado. A correspondência do material da ferramenta de corte com o objeto de processamento refere-se principalmente à correspondência das propriedades mecânicas, propriedades físicas e propriedades químicas dos dois para obter a vida útil mais longa da ferramenta e a produtividade máxima do processamento de corte.
O problema da correspondência de propriedades mecânicas entre a ferramenta de corte e o objeto maquinado refere-se principalmente a parâmetros de propriedades mecânicas, tais como a resistência, a tenacidade e a dureza da ferramenta e do material da peça de trabalho.
Os materiais das ferramentas com diferentes propriedades mecânicas são adequados para a maquinagem dos materiais das peças.
A ordem de dureza do material da ferramenta é a seguinte: ferramenta de diamante > ferramenta de nitreto de boro cúbico > ferramenta de cerâmica > liga dura > aço rápido.
A ordem de resistência à flexão do material da ferramenta é a seguinte: aço rápido > liga dura > ferramenta de cerâmica > ferramenta de diamante e nitreto cúbico de boro.
A ordem de dureza do material da ferramenta é a seguinte: aço rápido > liga dura > nitreto de boro cúbico, diamante e ferramentas de cerâmica.
Os materiais das peças de alta dureza devem ser maquinados com ferramentas de maior dureza. A dureza do material da ferramenta deve ser superior à dureza do material da peça, geralmente superior a 60 HRC. Quanto maior for a dureza do material da ferramenta, melhor será a sua resistência ao desgaste.
Por exemplo, quando a quantidade de cobalto no carboneto cimentado aumenta, a resistência e a tenacidade aumentam, a dureza diminui e é adequado para o processamento em bruto. Quando a quantidade de cobalto diminui, a dureza e a resistência ao desgaste aumentam, o que é adequado para o acabamento.
As ferramentas com excelentes propriedades mecânicas a alta temperatura são especialmente adequadas para maquinação a alta velocidade. O excelente desempenho a alta temperatura das ferramentas cerâmicas permite-lhes ser cortadas a altas velocidades, permitindo velocidades de corte 2 a 10 vezes superiores às dos carbonetos cimentados.
As ferramentas com diferentes propriedades físicas, tais como as ferramentas de aço rápido com elevada condutividade térmica e baixo ponto de fusão, as ferramentas de cerâmica com elevado ponto de fusão e baixa expansão térmica e as ferramentas de diamante com elevada condutividade térmica e baixa expansão térmica, são adequadas para o processamento de materiais de peças de trabalho.
Ao maquinar uma peça de trabalho com fraca condutividade térmica, deve ser utilizado um material de ferramenta com melhor condutividade térmica para permitir que o calor de corte seja rapidamente transmitido para baixar a temperatura de corte.
Devido à elevada condutividade térmica e difusividade térmica do diamante, o calor de corte é facilmente dissipado e não provoca grandes deformações térmicas. Isto é especialmente importante para ferramentas de maquinação de precisão com elevada exatidão dimensional.
Temperatura de resistência ao calor de vários materiais de ferramentas:
700 ~ 8000C para ferramentas de diamante, 13000 ～ 15000C para ferramentas PCBN, 1100 ～ 12000C para ferramentas de cerâmica, 900 ～ 11000C para ligas duras à base de TiC (N), grão ultrafino à base de WC duro A qualidade da liga é de 800 a 9000 C, e o HSS é de 600 a 7000 C.
Sequência de condutividade térmica de vários materiais de ferramentas:
PCD>PCBN>Carbeto cimentado à base de WC>Carbeto cimentado à base de TiC(N)>HSS>Cerâmica à base de Si3N4>Cerâmica à base de A1203.
A ordem do coeficiente de expansão térmica de vários materiais de ferramentas é:
HSS>Carbeto cimentado à base de WC>TiC(N)> Cerâmica à base de A1203>PCBN>Cerâmica à base de Si3N4>PCD.
A ordem de resistência ao choque térmico de vários materiais de ferramentas é:
HSS>Carbeto cimentado à base de WC>Cerâmica à base de Si3N4>PCBN>PCD>Carbeto cimentado à base de TiC(N)>Cerâmica à base de A1203.
A correspondência entre as propriedades químicas do material da ferramenta de corte e o objeto de processamento refere-se principalmente à correspondência entre as propriedades químicas do material da ferramenta e a afinidade química, a reação química, a difusão e a dissolução do material da peça de trabalho.
As ferramentas com diferentes materiais são adequadas para maquinar diferentes materiais de peças de trabalho.
A temperatura de anti-ligação de vários materiais de ferramentas (e aço) é:
PCBN>cerâmica>liga dura>HSS.
A temperatura de oxidação de vários materiais de ferramentas é:
cerâmica>PCBN>liga dura>diamante>HSS.
A resistência à difusão de vários materiais de ferramentas (para aço) é:
diamante > cerâmica à base de Si3N4 > PCBN > cerâmica à base de A1203.
A força de difusão (para titânio) é:
Cerâmica à base de A1203 > PCBN > SiC > Si3N4 > diamante.
Em geral, as ferramentas de PCBN, de cerâmica, de metal duro revestido e de metal duro à base de TiCN são adequadas para a maquinagem CNC de metais ferrosos, como o aço.
As ferramentas PCD são adequadas para o processamento de materiais não ferrosos, tais como Al, Mg, Cu, ligas e materiais não metálicos.
A Tabela 2 lista alguns dos materiais de peças de trabalho que são adequados para maquinação utilizando os materiais de ferramentas acima referidos.
| Ferramenta de corte | Elevado dureza aço | Calor resistente liga | Titânio liga | Níquel baseado superliga | Elenco ferro | Puro aço | Elevado silício alumínio liga | PRFV composto material |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCD | × | × | ◎ | × | × | × | ◎ | ◎ |
| PCBN | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ◎ | ● | ● | |
| Faca de cerâmica | ◎ | ◎ | × | ◎ | ◎ | ● | × | × |
| Carboneto cementado em camadas | ○ | ◎ | ◎ | ● | ◎ | ◎ | ● | ● |
| Liga dura à base de TiCN | ● | × | × | × | ◎ | ● | × | × |
Nota:
◎ - Excelente
○ - Bom
● - OK
× - Mau
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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