Los materiales de las herramientas deben tener propiedades básicas.
La selección de materiales de herramientas tiene un gran impacto en la vida útil de la herramienta, la eficiencia del procesamiento, la calidad del procesamiento y el costo del procesamiento. Al cortar, las herramientas deben soportar alta presión, alta temperatura, fricción, impacto y vibración. Por tanto, los materiales para herramientas deben tener las siguientes propiedades básicas:
(1) Dureza y resistencia al desgaste. La dureza del material de la herramienta debe ser mayor que la dureza del material de la pieza de trabajo, generalmente se requiere que sea superior a 60 HRC. Cuanto mayor sea la dureza del material de la herramienta, mejor será la resistencia al desgaste.
(2) Fuerza y tenacidad. El material de la herramienta debe tener alta resistencia y tenacidad para soportar la fuerza de corte, el impacto y la vibración, y evitar la fractura frágil y el astillado de la herramienta.
(3) Resistencia al calor. El material de la herramienta debe tener buena resistencia al calor, ser capaz de soportar altas temperaturas de corte y tener buena capacidad antioxidante.
(4) Rendimiento y economía del proceso. El material de la herramienta debe tener un buen rendimiento de forjado, rendimiento de tratamiento térmico, rendimiento de soldadura, rendimiento de rectificado, etc., y debe perseguir una relación de alto rendimiento-precio.
2
Tipos, propiedades, características y aplicaciones de materiales para herramientas.
1. Materiales de herramientas de diamante
El diamante es un alótropo del carbono y es el material más duro que se encuentra en la naturaleza. Las herramientas de diamante tienen alta dureza, alta resistencia al desgaste y alta conductividad térmica y se usan ampliamente en el procesamiento de metales no-ferrosos y materiales no-metálicos. Especialmente en el corte a alta-velocidad de aluminio y aleaciones de aluminio y silicio, las herramientas de diamante son la principal variedad de herramientas de corte que son difíciles de reemplazar. Las herramientas de diamante que pueden lograr alta eficiencia, alta estabilidad y larga vida útil son una herramienta indispensable e importante en el mecanizado CNC moderno.
(1) Tipos de herramientas diamantadas
① Herramientas de diamante natural: el diamante natural se ha utilizado como herramienta de corte durante cientos de años. Las herramientas de diamante de cristal único natural se pueden rectificar finamente hasta obtener un borde extremadamente afilado con un radio de corte de hasta 0,002 μm. Pueden lograr cortes ultra-delgados y pueden producir una precisión de pieza de trabajo extremadamente alta y una rugosidad superficial extremadamente baja. Son herramientas de mecanizado de ultra-precisión reconocidas, ideales e irremplazables.
② Herramientas de diamante PCD: los diamantes naturales son caros y el diamante más utilizado en el corte es el diamante policristalino (PCD). Desde principios de la década de 1970, tras el exitoso desarrollo del diamante policristalino (hojas de PCD) preparado mediante tecnología de síntesis de alta temperatura y alta presión, las herramientas de diamante natural han sido reemplazadas por diamantes policristalinos artificiales en muchas ocasiones. Las materias primas de PCD son abundantes y su precio es sólo de unas pocas décimas a una docena de décimas del de los diamantes naturales. Las herramientas de PCD no pueden rectificar bordes extremadamente afilados y la calidad de la superficie de las piezas procesadas no es tan buena como la de los diamantes naturales. En la actualidad, las palas de PCD con rompevirutas no se pueden fabricar fácilmente en la industria. Por lo tanto, el PCD solo se puede utilizar para cortes de precisión de metales no-ferrosos y no-metales, y es difícil lograr un corte de espejo de ultra-precisión.
③ Herramientas de diamante CVD: desde finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, la tecnología de diamante CVD ha aparecido en Japón. El diamante CVD se refiere a una película de diamante sintetizada sobre un sustrato heterogéneo (como carburo cementado, cerámica, etc.) mediante deposición química de vapor (CVD). El diamante CVD tiene la misma estructura y características que el diamante natural. El rendimiento del diamante CVD es muy parecido al del diamante natural. Tiene las ventajas del diamante monocristalino natural y del diamante policristalino (PCD) y supera sus deficiencias hasta cierto punto.
(2) Características de rendimiento de las herramientas de diamante.
① Dureza y resistencia al desgaste extremadamente altas: el diamante natural es la sustancia más dura que se encuentra en la naturaleza. El diamante tiene una resistencia al desgaste extremadamente alta. Al procesar materiales de alta-dureza, la vida útil de las herramientas de diamante es de 10 a 100 veces mayor que la de las herramientas de carburo cementado, o incluso hasta varios cientos de veces.
② Coeficiente de fricción muy bajo: el coeficiente de fricción entre el diamante y algunos metales no-ferrosos es menor que el de otras herramientas. El bajo coeficiente de fricción significa menos deformación durante el procesamiento, lo que puede reducir la fuerza de corte.
③ Filo muy afilado: el filo de las herramientas de diamante se puede afilar a un nivel muy afilado. Las herramientas de diamante de monocristal natural pueden alcanzar de 0,002 a 0,008 μm, lo que permite realizar cortes ultra-delgados y mecanizados de ultra-precisión.
④ Alta conductividad térmica: el diamante tiene alta conductividad térmica y difusividad térmica, el calor de corte se disipa fácilmente y la temperatura de la parte cortante de la herramienta es baja.
⑤ Bajo coeficiente de expansión térmica: el coeficiente de expansión térmica del diamante es varias veces menor que el del carburo cementado, y el cambio en el tamaño de la herramienta causado por el calor de corte es muy pequeño, lo cual es particularmente importante para el mecanizado de precisión y ultra-precisión con requisitos de alta precisión dimensional.
(3) Aplicación de herramientas diamantadas.
Las herramientas de diamante se utilizan principalmente para corte fino y taladrado de metales no-ferrosos y materiales no-metálicos a altas velocidades. Adecuado para mecanizar diversos metales no-resistentes al desgaste-, como piezas en bruto de pulvimetalurgia de fibra de vidrio, materiales cerámicos, etc.; diversos metales no-ferrosos-resistentes al desgaste, tales como diversas aleaciones de silicio y aluminio; diversos acabados de metales no-ferrosos.
La desventaja de las herramientas de diamante es que tienen poca estabilidad térmica. Cuando la temperatura de corte supera los 700 grados ~ 800 grados, perderán completamente su dureza. Además, no son adecuadas para cortar metales ferrosos porque el diamante (carbono) reacciona fácilmente con los átomos de hierro a altas temperaturas, convirtiendo los átomos de carbono en estructuras de grafito, lo que hace que las herramientas sean extremadamente fáciles de dañar.
2. Materiales para herramientas de nitruro de boro cúbico
El nitruro de boro cúbico (CBN), un segundo material superduro sintetizado mediante un método similar al método de fabricación del diamante, ocupa el segundo lugar después del diamante en dureza y conductividad térmica. Tiene una excelente estabilidad térmica y no se oxida incluso cuando se calienta a 10.000 grados en la atmósfera. El CBN tiene propiedades químicas extremadamente estables para los metales ferrosos y puede utilizarse ampliamente en el procesamiento de productos de acero.
(1) Tipos de herramientas de nitruro de boro cúbico
El nitruro de boro cúbico (CBN) es una sustancia que no existe en la naturaleza. Se puede dividir en monocristales y cristales policristalinos, a saber, monocristales de CBN y nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN). El CBN es uno de los alótropos del nitruro de boro (BN) y tiene una estructura similar a la del diamante.
PCBN (nitruro de boro cúbico policristalino) es un material policristalino elaborado mediante la sinterización de materiales finos de CBN a través de una fase de unión (TiC, TiN, Al, Ti, etc.) a alta temperatura y alta presión. Actualmente es el material para herramientas con mayor dureza, sólo superado por el diamante, que se sintetiza artificialmente. Este y el diamante se denominan colectivamente materiales para herramientas superduros. PCBN se utiliza principalmente para fabricar herramientas u otras herramientas.
Las herramientas PCBN se pueden dividir en hojas PCBN integrales y hojas compuestas PCBN sinterizadas con carburo cementado.
Las hojas compuestas de PCBN se fabrican sinterizando una capa de PCBN de 0,5 a 1,0 mm de espesor sobre un carburo cementado con buena resistencia y tenacidad. Su rendimiento combina buena tenacidad con alta dureza y resistencia al desgaste. Resuelve los problemas de baja resistencia a la flexión y difícil soldadura de las hojas de CBN.
(2) Principales propiedades y características del nitruro de boro cúbico.
Aunque la dureza del nitruro de boro cúbico es ligeramente menor que la del diamante, es mucho mayor que la de otros materiales de alta dureza. La ventaja sobresaliente del CBN es que su estabilidad térmica es mucho mayor que la del diamante, que puede alcanzar más de 1200 grados (el diamante tiene entre 700 y 800 grados). Otra ventaja destacada es que es químicamente inerte y no reacciona químicamente con el hierro a 1200-1300 grados. Las principales características de rendimiento del nitruro de boro cúbico son las siguientes.
① Alta dureza y resistencia al desgaste: la estructura cristalina del CBN es similar a la del diamante y tiene una dureza y resistencia similares a las del diamante. PCBN es particularmente adecuado para procesar materiales de alta-dureza que antes solo podían rectificarse y puede obtener una mejor calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
② Tiene una alta estabilidad térmica: la resistencia al calor del CBN puede alcanzar los 1400-1500 grados, que es casi 1 vez mayor que la resistencia al calor del diamante (700-800 grados). Las herramientas PCBN pueden cortar aleaciones de alta temperatura y acero endurecido a una velocidad de 3 a 5 veces mayor que la de las herramientas de carburo.
③ Excelente estabilidad química: no reacciona químicamente con materiales de hierro a 1200 ~ 1300 grados y no se desgasta tan rápidamente como el diamante. En este momento, todavía puede mantener la dureza del carburo cementado; Las herramientas PCBN son adecuadas para cortar piezas de acero endurecido y hierro fundido enfriado, y pueden usarse ampliamente en el corte de hierro fundido a alta-velocidad.
④ Buena conductividad térmica: aunque la conductividad térmica del CBN no puede igualar a la del diamante, la conductividad térmica del PCBN ocupa el segundo lugar después del diamante entre todos los tipos de materiales para herramientas y es mucho más alta que la del acero rápido-y el carburo cementado.
⑤ Coeficiente de fricción bajo: el coeficiente de fricción bajo puede provocar una fuerza de corte reducida, una temperatura de corte más baja y una mejor calidad de la superficie de procesamiento durante el corte.
(3) Aplicación de herramientas de nitruro de boro cúbico.
El nitruro de boro cúbico es adecuado para el acabado de diversos materiales difíciles-de-cortar, como acero endurecido, hierro fundido duro, aleaciones de alta-temperatura, carburo cementado, materiales de pulverización de superficies, etc. La precisión del procesamiento puede alcanzar IT5 (IT6 para agujeros) y el valor de rugosidad de la superficie puede ser tan pequeño como Ra1,25~0,20μm.
Los materiales para herramientas de nitruro de boro cúbico tienen poca tenacidad y resistencia a la flexión. Por lo tanto, las herramientas de torneado de nitruro de boro cúbico no son adecuadas para mecanizado de desbaste de baja-velocidad y alto-impacto; al mismo tiempo, no son adecuados para cortar materiales con alta plasticidad (como aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones a base de níquel-, aceros con alta plasticidad, etc.), porque al cortar estos metales se generarán graves acumulaciones-en los bordes, que deteriorarán la superficie de mecanizado.
3. Materiales cerámicos para herramientas.
Las herramientas cerámicas tienen las características de alta dureza, buena resistencia al desgaste, excelente resistencia al calor y estabilidad química, y no son fáciles de unir con metales. Las herramientas cerámicas ocupan una posición muy importante en el mecanizado CNC. Las herramientas cerámicas se han convertido en una de las principales herramientas para el corte de alta-velocidad y materiales difíciles-de-mecanizar. Las herramientas cerámicas se utilizan ampliamente en cortes de alta-velocidad, cortes en seco, cortes duros y cortes de materiales difíciles-de-mecanizar. Las herramientas de corte de cerámica pueden procesar eficientemente materiales de alta-dureza que las herramientas de corte tradicionales no pueden procesar en absoluto, logrando "torneado en lugar de rectificado"; la velocidad de corte óptima de las herramientas de corte de cerámica puede ser de 2 a 10 veces mayor que la de las herramientas de corte de carburo, mejorando así en gran medida la eficiencia de la producción de corte; La principal materia prima utilizada en las herramientas de corte cerámicas son los elementos más abundantes en la corteza terrestre. Por lo tanto, la promoción y aplicación de herramientas de corte cerámicas es de gran importancia para mejorar la productividad, reducir los costos de procesamiento y ahorrar metales preciosos estratégicos, y también promoverá en gran medida el progreso de la tecnología de corte.
(1) Tipos de materiales para herramientas de corte cerámico
Los materiales cerámicos para herramientas de corte generalmente se pueden dividir en tres categorías: cerámicas a base de alúmina-, cerámicas a base de nitruro de silicio-y cerámicas compuestas a base de nitruro de silicio-alúmina-. Entre ellos, los materiales cerámicos para herramientas de corte a base de alúmina-y nitruro de silicio-son los más utilizados. El rendimiento de las cerámicas a base de nitruro de silicio-es superior al de las cerámicas a base de alúmina-.
(2) Rendimiento y características de las herramientas de corte cerámicas.
① Alta dureza y buena resistencia al desgaste: aunque la dureza de las herramientas de corte de cerámica no es tan alta como la de PCD y PCBN, es mucho mayor que la de las herramientas de corte de carburo y acero de alta-velocidad, alcanzando 93~95HRA. Las herramientas cerámicas pueden procesar materiales de alta-dureza que son difíciles de procesar con herramientas tradicionales y son adecuadas para cortes duros y de alta-velocidad.
② Resistencia a altas temperaturas y buena resistencia al calor: las herramientas de cerámica aún pueden cortar a altas temperaturas superiores a 1200 grados. Las herramientas cerámicas tienen excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas-y las herramientas cerámicas tienen una resistencia a la oxidación particularmente buena. Incluso si el filo está al rojo-, se puede utilizar continuamente. Por lo tanto, las herramientas cerámicas pueden lograr un corte en seco, eliminando así la necesidad de fluido de corte.
③ Buena estabilidad química: las herramientas cerámicas no son fáciles de unir con metales y son resistentes a la corrosión-y químicamente estables, lo que puede reducir el desgaste de unión de las herramientas.
④ Bajo coeficiente de fricción: las herramientas cerámicas tienen baja afinidad con los metales y un bajo coeficiente de fricción, lo que puede reducir la fuerza de corte y la temperatura de corte.
(3) Aplicación de herramientas cerámicas.
La cerámica es uno de los materiales de herramientas que se utiliza principalmente para acabados y semiacabados de alta-velocidad. Las herramientas cerámicas son adecuadas para cortar diversos hierros fundidos (fundición gris, hierro dúctil, hierro fundido maleable, hierro fundido enfriado, hierro fundido de alta aleación-resistente al desgaste) y aceros (acero estructural al carbono, acero estructural aleado, acero de alta resistencia, acero con alto contenido de manganeso, acero templado, etc.), y también se pueden utilizar para cortar aleaciones de cobre, grafito, plásticos de ingeniería y materiales compuestos.
Los materiales cerámicos para herramientas tienen baja resistencia a la flexión y poca tenacidad al impacto, y no son adecuados para cortar a baja velocidad y carga de impacto.
4. Materiales de herramientas recubiertos
Recubrir la herramienta es una de las formas importantes de mejorar el rendimiento de la herramienta. La aparición de herramientas recubiertas ha supuesto un gran avance en el rendimiento de corte de las herramientas. Las herramientas recubiertas están recubiertas con una o más capas de compuestos refractarios con buena resistencia al desgaste en el resistente cuerpo de la herramienta. Combina el sustrato de la herramienta con un recubrimiento duro, mejorando así en gran medida el rendimiento de la herramienta. Las herramientas recubiertas pueden mejorar la eficiencia del procesamiento, mejorar la precisión del procesamiento, extender la vida útil de la herramienta y reducir los costos de procesamiento.
Aproximadamente el 80% de las herramientas de corte utilizadas en las nuevas máquinas herramienta CNC utilizan herramientas recubiertas. Las herramientas recubiertas serán en el futuro el tipo de herramienta más importante en el campo del mecanizado CNC.
(1) Tipos de herramientas recubiertas
Según los diferentes métodos de recubrimiento, las herramientas recubiertas se pueden dividir en herramientas recubiertas por deposición química de vapor (CVD) y herramientas recubiertas por deposición física de vapor (PVD). Las herramientas de carburo recubiertas generalmente adoptan el método de deposición química de vapor y la temperatura de deposición es de aproximadamente 1000 grados. Las herramientas recubiertas de acero rápido-generalmente adoptan el método de deposición física de vapor y la temperatura de deposición es de aproximadamente 500 grados.
Según los diferentes materiales de sustrato de herramientas recubiertas, las herramientas recubiertas se pueden dividir en herramientas recubiertas de carburo, herramientas recubiertas de acero de alta velocidad- y herramientas recubiertas de cerámica y materiales superduros (diamante y nitruro de boro cúbico).
Según las propiedades de los materiales de recubrimiento, las herramientas recubiertas se pueden dividir en dos categorías: herramientas con recubrimiento "duro" y herramientas con recubrimiento "blando". El objetivo principal de las herramientas con revestimiento "duro" es una alta dureza y resistencia al desgaste. Sus principales ventajas son la alta dureza y la buena resistencia al desgaste. Ejemplos típicos son los recubrimientos de TiC y TiN. El objetivo de las herramientas con revestimiento "blando" es un bajo coeficiente de fricción. También se les llama herramientas autolubricantes. El coeficiente de fricción entre ellos y el material de la pieza de trabajo es muy bajo, solo alrededor de 0,1, lo que puede reducir la adherencia, reducir la fricción y reducir la fuerza y la temperatura de corte.
Recientemente, se han desarrollado herramientas con nano-recubrimiento. Este tipo de herramienta revestida puede utilizar diferentes combinaciones de materiales de revestimiento (como metal/metal, metal/cerámica, cerámica/cerámica, etc.) para cumplir diferentes requisitos funcionales y de rendimiento. Un nano-nano-revestimiento bien diseñado puede hacer que el material de la herramienta tenga excelentes funciones anti-fricción y anti-desgaste y propiedades auto-lubricantes, que son adecuadas para corte en seco a alta-velocidad.
(2) Características de las herramientas recubiertas
① Buenas propiedades mecánicas y de corte: las herramientas recubiertas combinan las excelentes propiedades del material base y el material de recubrimiento, manteniendo la buena tenacidad y alta resistencia del material base y al mismo tiempo tienen alta dureza, alta resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción del recubrimiento. Por lo tanto, la velocidad de corte de las herramientas recubiertas se puede aumentar más de 2 veces en comparación con las herramientas no recubiertas, y se permite una velocidad de avance más alta. También se mejora la vida útil de las herramientas recubiertas.
② Gran versatilidad: las herramientas recubiertas tienen una amplia versatilidad y amplían significativamente el rango de procesamiento. Una herramienta recubierta puede reemplazar varias herramientas sin recubrir.
③ Espesor del recubrimiento: la vida útil de la herramienta aumentará con el aumento del espesor del recubrimiento, pero cuando el espesor del recubrimiento alcance la saturación, la vida útil de la herramienta ya no aumentará significativamente. Cuando la capa es demasiado espesa, es fácil que se pele; cuando el recubrimiento es demasiado fino, la resistencia al desgaste es pobre.
④ Reafilado: El reafilado de las hojas recubiertas es deficiente, el equipo de recubrimiento es complejo, los requisitos del proceso son altos y el tiempo de recubrimiento es largo.
⑤ Material de revestimiento: las herramientas con diferentes materiales de revestimiento tienen diferentes rendimientos de corte. Por ejemplo: el recubrimiento de TiC tiene una ventaja en el corte a baja-velocidad; TiN es más adecuado para cortes de alta-velocidad.
(2) Aplicación de herramientas recubiertas
Las herramientas recubiertas tienen un gran potencial en el campo del mecanizado CNC y serán las más populares en el campo del mecanizado CNC en el futuro.
Variedades de herramientas importantes. La tecnología de recubrimiento se ha aplicado a fresas de mango, escariadores, taladros, herramientas de procesamiento de orificios compuestos, fresas dentadas, fresas perfiladoras de engranajes, cortadoras de afeitar de engranajes, brochas de formación y diversas plaquitas indexables-sujetadas por máquina para satisfacer las necesidades de corte a alta-velocidad de diversos aceros y hierros fundidos, aleaciones-resistentes al calor y metales no-ferrosos.
5. Materiales para herramientas de carburo cementado
Las herramientas de carburo cementado, especialmente las herramientas de carburo cementado indexables, son los productos líderes de las herramientas de mecanizado CNC. Desde la década de 1980, diversas herramientas o insertos de carburo cementado integrales e indexables se han ampliado a diversos campos de herramientas de corte. Entre ellas, las herramientas indexables de carburo cementado se han expandido desde simples herramientas de torneado y fresas planeadoras hasta diversos campos de herramientas de precisión, complejas y de conformado.
(1) Tipos de herramientas de carburo cementado
Según la composición química principal, el carburo cementado se puede dividir en carburo cementado a base de carburo de tungsteno-y carburo cementado a base de carburo (nitruro) de titanio (TiCN)-.
Los carburos cementados a base de carburo de tungsteno- incluyen el tungsteno cobalto (YG), el tungsteno cobalto titanio (YT) y la rara adición de carburo (YW). Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Los componentes principales son carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC), etc. La fase de unión de metales comúnmente utilizada es Co.
El carburo cementado a base de carbono (nitruro) de titanio-es un carburo cementado con TiC como componente principal (se añaden algunos otros carburos o nitruros) y las fases de unión de metales comúnmente utilizadas son Mo y Ni.
ISO (Organización Internacional de Normalización) divide el corte de carburos cementados en tres categorías:
La categoría K, que incluye Kl0 ~ K40, es equivalente a la categoría YG de mi país (los componentes principales son WC y Co).
La categoría P, que incluye P01 ~ P50, es equivalente a la categoría YT de mi país (los componentes principales son WC, TiC, Co).
La categoría M, que incluye M10 ~ M40, es equivalente a la categoría YW de mi país (los componentes principales son WC-TiC-TaC, NbC=-Co).
Cada marca está representada por un número entre 01 y 50, que representa una serie de aleaciones desde alta dureza hasta máxima tenacidad.
(2) Características de rendimiento de las herramientas de carburo cementado.
① Alta dureza: las herramientas de carburo cementado están hechas de carburos con alta dureza y punto de fusión (llamado fase dura) y aglutinante metálico (llamado fase de unión) mediante metalurgia de polvos. Su dureza alcanza 89~93HRA, que es mucho más alta que la del acero de alta velocidad. A 5400 grados, la dureza aún puede alcanzar 82~87HRA, que es la misma que la dureza del acero rápido-a temperatura ambiente (83~86HRA). El valor de dureza del carburo cementado varía con la naturaleza, cantidad, tamaño de partícula y contenido de la fase de unión metálica de los carburos, y generalmente disminuye con el aumento del contenido de la fase metálica de unión. Cuando el contenido de la fase de unión es el mismo, la dureza de la aleación YT es mayor que la de la aleación YG, y la aleación con TaC (NbC) añadido tiene una mayor dureza a altas temperaturas.
② Resistencia a la flexión y tenacidad: la resistencia a la flexión del carburo cementado común está en el rango de 900-1500MPa. Cuanto mayor sea el contenido de fase de unión del metal, mayor será la resistencia a la flexión. Cuando el contenido de agente adhesivo es el mismo, la resistencia de la aleación YG (WC-Co) es mayor que la de la aleación YT (WC-TiC-Co), y la resistencia disminuye con el aumento del contenido de TiC. El carburo cementado es un material frágil y su tenacidad al impacto a temperatura ambiente es sólo 1/30-1/8 de la del acero rápido.
(3) Aplicación de herramientas comunes de carburo cementado
Las aleaciones YG se utilizan principalmente para procesar hierro fundido, metales no-ferrosos y materiales no-metálicos. El carburo de grano fino- (como YG3X, YG6X) tiene mayor dureza y resistencia al desgaste que el carburo de grano medio-cuando el contenido de cobalto es el mismo. Es adecuado para procesar algunos hierros fundidos duros especiales, acero inoxidable austenítico, aleaciones resistentes al calor-, aleaciones de titanio, bronce duro y materiales aislantes-resistentes al desgaste.
Las ventajas sobresalientes del carburo tipo YT-son alta dureza, buena resistencia al calor, mayor dureza y resistencia a la compresión a alta temperatura que el tipo YG-y buena resistencia a la oxidación. Por lo tanto, cuando se requiere que el cuchillo tenga mayor resistencia al calor y al desgaste, se debe seleccionar un grado con un mayor contenido de TiC. Las aleaciones de tipo YT-son adecuadas para procesar materiales plásticos como el acero, pero no para procesar aleaciones de titanio y aleaciones de silicio-aluminio.
Las aleaciones de tipo YW-tienen las propiedades de las aleaciones de tipo YG e YT-y tienen buenas propiedades integrales. Se puede utilizar para procesar acero, hierro fundido y metales no-ferrosos. Si el contenido de cobalto de este tipo de aleación se aumenta adecuadamente, la resistencia puede ser muy alta y puede usarse para procesamiento basto y corte intermitente de diversos materiales difíciles-de-procesar.
6. Herramientas de acero de alta-velocidad
El acero de alta-rápidez (HSS) es un acero para herramientas de alta-aleación con una gran cantidad de elementos de aleación como W, Mo, Cr y V. Las herramientas de acero de alta-rápidez tienen un excelente rendimiento integral en términos de resistencia, tenacidad y procesabilidad. El acero de alta velocidad todavía ocupa una posición importante en herramientas complejas, especialmente en la fabricación de herramientas de procesamiento de orificios, fresas, herramientas de roscado, brochas, herramientas de corte de engranajes y otras herramientas con forma de hoja- compleja. Las herramientas de acero rápido-son fáciles de afilar.
Según los diferentes usos, el acero rápido-se puede dividir en acero rápido-de uso general-y acero rápido-de alto rendimiento-.
(1) Herramientas de acero rápido-de uso general-
Acero rápido-de uso general-. Generalmente, se puede dividir en acero de tungsteno y acero de tungsteno-molibdeno. Este tipo de acero rápido-contiene entre 0,7 % y 0,9 % (C). Según el diferente contenido de tungsteno en el acero, se puede dividir en acero de tungsteno que contiene 12% o 18% de W, acero de tungsteno-molibdeno que contiene 6% u 8% de W y acero de molibdeno que contiene 2% o nada de W. El acero rápido-de uso general-tiene cierta dureza (63~66HRC) y resistencia al desgaste, alta resistencia y tenacidad, buena plasticidad. y tecnología de procesamiento, por lo que se utiliza ampliamente en la fabricación de diversas herramientas complejas.
① Acero de tungsteno: el grado típico de acero de tungsteno de alta velocidad-de uso general-es W18Cr4V (abreviado como W18), que tiene un buen rendimiento integral. La dureza a alta temperatura a 6000 grados es 48,5 HRC, que se puede utilizar para fabricar diversas herramientas complejas. Tiene las ventajas de una buena capacidad de molienda y una baja sensibilidad a la descarburación, pero debido al alto contenido de carburo, la distribución desigual, las partículas grandes y la baja resistencia y tenacidad.
② Acero de tungsteno-molibdeno: se refiere a un acero de alta-rápida obtención al reemplazar parte del tungsteno en el acero de tungsteno con molibdeno. El grado típico de acero de tungsteno-molibdeno es W6Mo5Cr4V2 (abreviado como M2). Las partículas de carburo de M2 son finas y uniformes, y la resistencia, tenacidad y plasticidad a alta -temperatura son mejores que las del W18Cr4V. Otro tipo de acero de tungsteno-molibdeno es el W9Mo3Cr4V (abreviado como W9), que tiene una estabilidad térmica ligeramente mayor que el acero M2, mejor resistencia a la flexión y tenacidad que el W6M05Cr4V2 y tiene buena maquinabilidad.
(2) Herramientas de acero de alta-rendimiento y alta-velocidad
El acero rápido-de alto rendimiento-se refiere a un nuevo tipo de acero que agrega algo de contenido de carbono, contenido de vanadio y elementos de aleación como Co y Al a la composición general del acero rápido-, mejorando así su resistencia al calor y al desgaste. Existen principalmente las siguientes categorías:
① Acero rápido con alto contenido de -carbono-. El acero rápido-con alto contenido de carbono-(como 95W18Cr4V) tiene una alta dureza a temperatura ambiente y a altas temperaturas. Es adecuado para fabricar herramientas para procesar acero común y hierro fundido, taladros, escariadores, machos de roscar y fresas con altos requisitos de resistencia al desgaste, o procesar materiales más duros. No es adecuado para grandes impactos.
② Acero con alto contenido de-vanadio y alta-velocidad. Los grados típicos, como W12Cr4V4Mo (abreviado como EV4), contienen V entre 3% y 5%, buena resistencia al desgaste, adecuados para cortar materiales con gran desgaste de herramientas, como fibra, caucho duro, plástico, etc., también se pueden usar para procesar acero inoxidable, acero de alta-resistencia y aleaciones de alta-temperatura.
③ Acero de alta velocidad-de cobalto. Es un acero rápido-súper-duro y de alta velocidad- que contiene cobalto. Los grados típicos como W2Mo9Cr4VCo8 (abreviado como M42) tienen una alta dureza, que puede alcanzar 69~70HRC. Es adecuado para procesar acero de alta-resistencia al calor-, aleaciones de alta-temperatura, aleaciones de titanio y otros materiales-difíciles de-procesar. M42 tiene buena capacidad de rectificado y es adecuado para fabricar herramientas complejas y de precisión, pero no es adecuado para trabajar en condiciones de corte por impacto.
④Acero de alta velocidad-de aluminio. Es un aluminio-que contiene acero súper-duro y de alta-velocidad. Los grados típicos incluyen W6Mo5Cr4V2Al (abreviado como 501). Su dureza a alta temperatura a 6000 grados también alcanza 54HRC. Su rendimiento de corte es equivalente al M42. Es adecuado para la fabricación de fresas, taladros, escariadores, cortadores de engranajes, brochas, etc., y se utiliza para procesar acero aleado, acero inoxidable, acero de alta-resistencia y aleaciones de alta-temperatura.
⑤ Acero súper-duro y de alta velocidad-con nitrógeno. Los grados típicos incluyen W12M03Cr4V3N (abreviado como V3N). Es un acero rápido-súper-duro y de alta velocidad- que contiene nitrógeno. Su dureza, resistencia y tenacidad son equivalentes a M42. Se puede utilizar como sustituto del acero de alta velocidad-que contiene cobalto-y se utiliza para el corte a baja-velocidad de materiales difíciles-de-procesar y para el procesamiento de baja-velocidad y alta-precisión.
(3) Fusión de acero de alta velocidad-y acero de alta velocidad pulvimetalúrgico-
Según los diferentes procesos de fabricación, el acero rápido-se puede dividir en acero rápido-de fusión y acero rápido-de pulvimetalurgia.
① Fusión de acero rápido-: el acero ordinario-rápido y el acero rápido-de alto-rendimiento se fabrican mediante métodos de fusión. Se convierten en herramientas de corte mediante procesos como la fundición, la fundición de lingotes y el enchapado y laminado. El problema grave que es fácil de producir en la fusión de acero de alta velocidad-es la segregación de carburos. Los carburos duros y quebradizos están distribuidos de manera desigual en el acero de alta-velocidad y los granos son gruesos (hasta decenas de micrones), lo que tiene un efecto adverso en la resistencia al desgaste, la tenacidad y el rendimiento de corte de las herramientas de acero de alta-velocidad.
② Acero pulvimetalúrgico de alta velocidad-(PM HSS): el acero pulvimetalúrgico de alta velocidad-(PM HSS) es un líquido de acero fundido en un horno de inducción de alta-frecuencia, que se atomiza con argón de alta-presión o nitrógeno puro, y luego se enfría rápidamente para obtener una estructura cristalina fina y uniforme (polvo de acero de alta-velocidad). Luego, el polvo resultante se prensa para obtener una pieza en bruto de cuchillo a alta temperatura y alta presión, o primero se convierte en un tocho de acero y luego se forja y lamina para darle forma de herramienta. En comparación con el acero de alta-velocidad fabricado mediante el método de fusión, PM HSS tiene las ventajas de granos de carburo finos y uniformes, y una resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste mucho mayores que la fundición de acero de alta-velocidad. En el campo de las herramientas CNC complejas, las herramientas PM HSS seguirán desarrollándose y ocuparán una posición importante. Los grados típicos, como F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, etc., se pueden utilizar para fabricar herramientas de gran-tamaño, cargadas-pesadas y de alto-impacto, y también se pueden utilizar para fabricar herramientas de precisión.
3
Principios para la selección de materiales de herramientas CNC.
Actualmente, los materiales de herramientas CNC más utilizados incluyen principalmente herramientas de diamante, herramientas de nitruro de boro cúbico, herramientas de cerámica, herramientas recubiertas, herramientas de carburo y herramientas de acero de alta-velocidad. Hay muchos grados de materiales para herramientas y su rendimiento varía mucho. Los principales indicadores de rendimiento de varios materiales de herramientas se muestran en la siguiente tabla.
Principales indicadores de rendimiento de diversos materiales de herramientas.
Los materiales de las herramientas para el mecanizado CNC deben seleccionarse de acuerdo con la pieza a mecanizar y las propiedades de procesamiento. La selección de los materiales de las herramientas debe coincidir razonablemente con el objeto a procesar. La combinación de materiales de herramientas de corte y objetos de procesamiento se refiere principalmente a la combinación de las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los dos para obtener la mayor vida útil de la herramienta y la máxima productividad de corte.
1. Propiedades mecánicas que coinciden entre los materiales de las herramientas de corte y los objetos de procesamiento.
El problema de coincidencia de propiedades mecánicas entre herramientas de corte y objetos de procesamiento se refiere principalmente a la coincidencia de parámetros de propiedades mecánicas como resistencia, tenacidad y dureza entre herramientas y materiales de pieza de trabajo. Los materiales de herramientas con diferentes propiedades mecánicas son adecuados para procesar piezas de diferentes materiales.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>acero de alta-velocidad.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>Herramientas de diamante y nitruro de boro cúbico.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>Nitruro de boro cúbico, herramientas diamantadas y cerámicas.
Los materiales de piezas de trabajo de alta-dureza deben procesarse con herramientas de mayor dureza. La dureza de los materiales de las herramientas debe ser mayor que la de los materiales de las piezas de trabajo, generalmente se requiere que sea superior a 60 HRC. Cuanto mayor sea la dureza de los materiales de la herramienta, mejor será su resistencia al desgaste. Por ejemplo, cuando aumenta el contenido de cobalto en el carburo cementado, su resistencia y tenacidad aumentan y su dureza disminuye, lo que es adecuado para el mecanizado en desbaste; cuando disminuye el contenido de cobalto, aumenta su dureza y resistencia al desgaste, lo que es adecuado para el mecanizado fino.
Las herramientas con excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas-son especialmente adecuadas para cortes a alta-velocidad. El excelente rendimiento a altas temperaturas-de las herramientas cerámicas les permite cortar a altas velocidades, y la velocidad de corte permitida se puede aumentar de 2 a 10 veces en comparación con el carburo cementado.
2. Emparejar las propiedades físicas de los materiales de las herramientas de corte y los objetos de procesamiento.
Las herramientas con diferentes propiedades físicas, como herramientas de acero rápido-con alta conductividad térmica y bajo punto de fusión, herramientas cerámicas con alto punto de fusión y baja expansión térmica, herramientas de diamante con alta conductividad térmica y baja expansión térmica, etc., son adecuadas para procesar diferentes materiales de piezas de trabajo. Al procesar piezas de trabajo con mala conductividad térmica, se deben utilizar materiales de herramientas con buena conductividad térmica para permitir que el calor de corte se transfiera rápidamente y reducir la temperatura de corte. El diamante tiene una alta conductividad térmica y difusividad térmica, por lo que el calor de corte es fácil de disipar y no producirá una gran deformación térmica, lo cual es especialmente importante para herramientas de mecanizado de precisión con requisitos de alta precisión dimensional.
① Temperatura resistente al calor-de diversos materiales de herramientas: 700-8000 grados para herramientas de diamante, 13000-15000 grados para herramientas PCBN, 1100-12000 grados para herramientas de cerámica, 900-11000 grados para carburo cementado a base de TiC (N), 800-9000 grados para herramientas a base de WC Carburo cementado de grano ultrafino y 600-7000 grados para HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC (N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Cerámica a base de A1203.
③ The order of thermal expansion coefficients of various tool materials is: HSS>WC-based cemented carbide>TiC (N)>A1203-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④ The order of thermal shock resistance of various tool materials is: HSS>WC-based cemented carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC (N)-based cemented carbide>Cerámica a base de A1203.
3. Coincidencia del rendimiento químico de los materiales de las herramientas de corte y los objetos de procesamiento.
El problema de la adaptación del rendimiento químico de los materiales de las herramientas de corte y los objetos de procesamiento se refiere principalmente a los parámetros de rendimiento químico, como la afinidad química, la reacción química, la difusión y disolución de los materiales de las herramientas y los materiales de las piezas de trabajo. Para mecanizar piezas de diferentes materiales son adecuadas herramientas de diferentes materiales.
① The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>ceramics>HSS.
② The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>ceramics>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>A1203-based ceramics. Diffusion strength (for titanium) is: A1203-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>diamante.
4. Selección razonable de materiales para herramientas CNC.
En términos generales, PCBN, herramientas cerámicas, carburo recubierto y herramientas de carburo basadas en TiCN-son adecuadas para el mecanizado CNC de metales ferrosos como el acero; mientras que las herramientas de PCD son adecuadas para mecanizar materiales metálicos no-ferrosos como Al, Mg, Cu y sus aleaciones y materiales no-metálicos. La siguiente tabla enumera algunos materiales de piezas de trabajo adecuados para mecanizar con los materiales de herramientas anteriores.
