En la industria de fabricación de motores de aviación, las propiedades de los materiales mejoran constantemente y la tecnología de mecanizado CNC para materiales difíciles de mecanizar (aleaciones de alta temperatura) se ha convertido en una preocupación común en la industria. Los materiales de herramientas de corte cerámicos tienen las características de alta dureza, buena resistencia al desgaste y al calor, excelente estabilidad química y no son fáciles de unir con metales. Se ha convertido en uno de los principales materiales de herramientas para el corte a alta velocidad de aleaciones de alta temperatura. Además, la velocidad de corte óptima de las herramientas cerámicas es de 8 a 10 veces mayor que la de las herramientas de carburo cementado, lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia de corte. En la actualidad, surgen constantemente nuevas herramientas cerámicas y las herramientas cerámicas representarán entre 15% y 20% de las herramientas de procesamiento mecánico en todo el mundo. Su desarrollo puede causar otra revolución en el campo del procesamiento de corte.
Desventajas de las herramientas de carburo en el procesamiento de materiales de alta temperatura
Las aleaciones de alta temperatura (principalmente aleaciones a base de níquel o cobalto) tienen una excelente estabilidad y resistencia a la fluencia a altas temperaturas. GH4169 tiene una alta dureza a temperatura ambiente (hasta HRC35-47) y buena tenacidad. Sin embargo, en comparación con las piezas de acero comunes, su rendimiento de mecanizado es deficiente y el proceso de corte consume más energía.
En los últimos 10 años, la aplicación de herramientas de carburo El procesamiento de aleaciones de alta temperatura a base de titanio, níquel y cobalto se ha popularizado ampliamente. La alta dureza y tenacidad de los materiales de carburo a temperaturas de trabajo inferiores a 600 °C lo convierten en una herramienta ideal para cortar aleaciones de alta temperatura y aleaciones de titanio. Sin embargo, las herramientas de carburo tienen una debilidad fatal. Su punto de fusión es de aproximadamente 1200 °C. Cuando la temperatura en la zona de corte es superior a 800 °C, la resistencia y la dureza de la hoja disminuirán significativamente y el desgaste aumentará. Incluso es difícil completar el corte normal.
Por lo tanto, cuando se utilizan herramientas de carburo para cortar materiales de aleación de alta temperatura, para evitar temperaturas excesivamente altas en la zona de corte, la velocidad lineal solo se puede mantener en aproximadamente 40 m/min. Para piezas con gran margen de mecanizado, debido a la baja velocidad de corte, la tasa de eliminación de metal es muy baja, el tiempo de máquina es muy largo y el costo de producción aumenta considerablemente. Esto hace que el potencial de las máquinas herramienta CNC modernas esté lejos de aprovecharse por completo. Con la mejora continua del rendimiento de los nuevos motores y la aparición de nuevos materiales, las herramientas de carburo han sido difíciles de adaptar. Por lo tanto, encontrar una herramienta de corte más ideal se ha convertido en una prioridad máxima.
Ventajas de las herramientas de corte de cerámica para procesar materiales de alta temperatura
Hace ya 20 años que las empresas de motores de aviación de los países desarrollados (como GE en Estados Unidos y Rolls-Royce en el Reino Unido) empezaron a utilizar herramientas cerámicas para procesar materiales de aleación de alta temperatura. La característica más importante de los materiales cerámicos es su alto punto de fusión (por encima de los 2000 ℃). La dureza no baja mucho a 1200 ℃. Es un material ideal para sustituir a las herramientas de carburo y conseguir un corte de alta velocidad. Sin embargo, en mi país, por diversas razones, el uso de este tipo de herramientas no se ha popularizado mucho.
La formación de virutas en el proceso de corte es un proceso típico de deformación de gran tamaño, que implica no linealidad del material, no linealidad geométrica y no linealidad de los límites. En el proceso de corte de alta velocidad, también implica problemas de acoplamiento térmico.
Los famosos expertos en corte Piisnen y Merchant señalaron en 1945 el mecanismo de formación de virutas que, bajo la acción de la fuerza de corte, los límites de grano cerca de la superficie de corte comienzan a rasgarse y deformarse, separándose de la matriz para formar virutas y generando mucho calor. De hecho, esto genera aproximadamente 80% del calor de corte.
El núcleo del uso de herramientas cerámicas para lograr un corte de alta velocidad es aprovechar al máximo las características de alta temperatura de los materiales cerámicos. Aumentar la velocidad de corte hará que el calor de corte se acumule continuamente, la temperatura de la zona de corte aumentará, las virutas se ablandarán y el corte será muy fácil. Aunque la tenacidad y la resistencia al desgaste de los materiales cerámicos son muy diferentes a las de los materiales de carburo cementado, su estabilidad a alta temperatura está muy fuera del alcance de las herramientas de carburo cementado. Por lo tanto, aumentar la velocidad lineal es la forma más eficaz de aumentar la temperatura de la zona de corte. Teóricamente, la velocidad de corte y la tasa de eliminación de metal de las herramientas cerámicas deben ser de 5 a 10 veces o incluso más que las de las herramientas de carburo cementado.
En la promoción, los fabricantes de herramientas solo propusieron que las herramientas de cerámica son adecuadas para procesar materiales con un HRC superior a 55, y no hay informes correspondientes sobre materiales con un HRC inferior a 55. Este artículo habla de mi propia experiencia en el procesamiento de materiales con un HRC inferior a 55.
Debido al uso prolongado de herramientas de carburo cementado, los operadores se han acostumbrado al corte a baja velocidad, y este método de procesamiento adecuado para el carburo cementado es precisamente el mayor tabú en el procesamiento de herramientas cerámicas. Al utilizar herramientas cerámicas, por razones de seguridad, los operadores siempre tienen miedo de aumentar la velocidad e incluso esperan utilizar herramientas cerámicas en tornos comunes. La mayoría de los problemas encontrados en el uso de herramientas cerámicas en el pasado se debían a una velocidad de corte insuficiente.
Aspectos que requieren atención en el procesamiento de herramientas de corte de cerámica
La velocidad es la clave de la vida útil de la hoja. Debemos cambiar nuestra mentalidad y aumentar con valentía la velocidad de corte. Asegurarse de que se genere suficiente calor de corte durante el proceso de corte es la clave para mejorar la vida útil de la herramienta. Sin embargo, cuanto mayor sea la velocidad de corte, mejor. Si la temperatura de corte es demasiado alta, no se puede eliminar demasiado calor de corte y permanece en la matriz, lo que hace que la temperatura de las piezas aumente y las piezas se deformen debido al estrés térmico. Además, en la prueba, descubrimos que una vez que la velocidad excede un cierto límite, la hoja se desgasta muy rápidamente.
La resistencia al desgaste de los materiales cerámicos no es tan buena como la del carburo cementado. Si se realizan múltiples cortes con la misma profundidad de corte, inevitablemente aparecerá un desgaste de ranura perpendicular a la hoja en el punto de contacto entre la hoja y la pieza. Por lo tanto, es necesario cambiar constantemente el punto de contacto entre la hoja y la pieza de trabajo. Este método es muy eficaz para prolongar la vida útil de la hoja.
En comparación con el carburo cementado, los materiales cerámicos siguen siendo relativamente frágiles. Por lo tanto, se debe eliminar decididamente la vibración durante el proceso de corte. Esto requiere que la máquina herramienta tenga suficiente potencia, el husillo gire suavemente, el avance sea uniforme y la ruta de corte sea de “corte por empuje”. No intente utilizar herramientas cerámicas en máquinas herramienta comunes.
Para materiales de diferente dureza, se deben seleccionar parámetros de corte y trayectorias de herramienta razonables. Optimice la combinación de avance y velocidad de corte, solo de esta manera se puede garantizar un corte eficiente.
Si se produce un astillado local en la parte delantera de la hoja, se debe a la presión generada por el mayor desgaste en el lateral. Este fenómeno normalmente no afecta al rendimiento de la herramienta. De hecho, después de que se astilla la parte delantera de la hoja, se producirá una nueva hoja afilada y se podrá continuar cortando con resultados de corte satisfactorios. En el mecanizado fino, el “astillado” afectará el acabado y producirá “rebabas”. Al “astillar”, se pueden ver chispas delante de la hoja. Esta chispa es causada por las virutas de hierro a alta temperatura que pasan a través de la superficie rugosa de la hoja. Se debe reducir el avance para completar este corte.
Antes de realizar el siguiente corte, compruebe si es necesario sustituir la cuchilla. En caso de mecanizado basto, aproveche al máximo la cuchilla “desportillada” y no decida abandonarla apresuradamente. La cuchilla “desportillada” puede seguir utilizándose hasta que ya no pueda cortar.
Las hojas de cerámica no se romperán gravemente ni provocarán accidentes a menos que se cometan errores graves. Las principales formas de desgaste de las hojas de cerámica son el astillado y el desgaste de la cara posterior. El llamado desgaste del flanco es una forma de desgaste progresivo, que existe en todo tipo de herramientas. Su grado de desgaste y la velocidad de corte correspondiente son indicadores de la vida útil de la herramienta. Para las piezas de aleación a base de níquel, el desgaste de la ranura de las hojas de cerámica se produce en la línea de profundidad de corte. El método de aplicación ideal debe ser que el desgaste de la ranura alcance el máximo mientras que el desgaste del flanco también alcance el máximo. Se permite que el desgaste de la ranura se extienda a 1/3 del espesor de la hoja. El desgaste rápido de la ranura o astillado a menudo ocurre en el área de corte, lo que es causado por calor insuficiente en el área de corte. Se puede corregir aumentando la velocidad de corte o reduciendo el avance o ajustando ambos al mismo tiempo.
La trayectoria de la herramienta para las herramientas de carburo debe ser diferente a la de las hojas de cerámica. Las hojas de cerámica fallarán rápidamente debido al desgaste de las ranuras. El método de programación y la trayectoria de la herramienta de corte de herramientas de cerámica no son exactamente iguales a los de las herramientas de carburo. Se deben utilizar trayectorias de herramienta y parámetros de corte adecuados.
Las herramientas cerámicas no son adecuadas para el acabado de piezas de paredes delgadas con un espesor de pared inferior a 2 mm. Se deben seguir utilizando herramientas de carburo. Conclusión Los materiales cerámicos son los materiales para herramientas más prometedores y competitivos en el siglo XXI. Su desarrollo puede provocar otra revolución en el campo del procesamiento de corte. Aunque hemos adquirido cierta experiencia en el proceso de prueba, todavía necesitamos realizar más experimentos para ampliar la variedad de materiales de procesamiento. Solo dominando el rendimiento de las herramientas cerámicas podremos aplicarlas mejor al procesamiento de aleaciones de alta temperatura.
