Con el rápido desarrollo de la tecnología de mecanizado CNC y el uso generalizado de máquinas herramienta cncLos materiales de las herramientas se actualizan y desarrollan constantemente. El corte de alta velocidad se ha convertido en un medio indispensable e importante en el corte moderno. La velocidad de corte del corte de alta velocidad es de 5 a 10 veces mayor que la del corte convencional, lo que plantea nuevos requisitos para los materiales de las herramientas, la estructura de las herramientas, los parámetros geométricos, etc. En particular, existen mayores requisitos para los materiales de las herramientas. Los materiales de las herramientas de corte de alta velocidad deben tener alta resistencia, tenacidad y dureza. Buena estabilidad térmica y dureza en caliente, buenas propiedades mecánicas a alta temperatura, pequeña afinidad química y resistencia al desgaste. Aquí discutiremos los materiales de las herramientas y el rendimiento de las herramientas de corte de alta velocidad y sus medidas de selección razonables.
Clasificación y rendimiento de herramientas de alta velocidad
Saburral METROenfermo therramientas
Las herramientas de corte revestidas se recubren con una película de compuesto metálico duro y resistente al desgaste sobre el sustrato de la herramienta para lograr el propósito de mejorar la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie de la herramienta. Los materiales de sustrato de herramientas comunes incluyen principalmente acero de alta velocidad, carburo cementado, cerámica metálica y cerámica. Las herramientas revestidas se pueden dividir en herramientas con revestimiento duro y herramientas con revestimiento blando. Los materiales de revestimiento de las herramientas con revestimiento duro incluyen principalmente nitruro de titanio (TiN), carburo de titanio (TiC), óxido de aluminio (Al2O3), carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro de titanio y aluminio (TiAlN), carbonitruro de titanio y aluminio (TiAlCN), etc. Las principales características de las herramientas con revestimiento duro son alta dureza y buena resistencia al desgaste. Las herramientas con revestimiento blando son herramientas de acero de alta velocidad con MoS2 y WS2 como materiales de revestimiento. Las herramientas con revestimiento blando pueden reducir la fricción, la fuerza de corte y la temperatura de corte.
El recubrimiento puede ser un recubrimiento simple, un recubrimiento doble o un recubrimiento múltiple, o incluso un recubrimiento compuesto formado por varios materiales de recubrimiento. El recubrimiento compuesto puede ser recubrimientos multicompuestos de TiC-Al2O3-TiN, TiCN y TiAlN, y los últimos desarrollos incluyen TiN/NbN, TiN/CN y otras películas multicompuestas. El recubrimiento de TiN tiene una alta dureza y buena resistencia al desgaste, el recubrimiento de TiC tiene baja afinidad con el metal y una fuerte resistencia a la oxidación, el TiAlN tiene un buen rendimiento de corte a alta velocidad y el recubrimiento de Al2O3 tiene una buena estabilidad térmica. La capa de TiAlN tiene un excelente rendimiento en el corte a alta velocidad y la temperatura máxima de corte puede alcanzar los 800 ℃.
Cerámico Ccortando therramientas
Los materiales de las herramientas de corte de cerámica incluyen principalmente a base de alúmina y a base de nitruro de silicio. Las herramientas de corte de cerámica tienen las ventajas de una alta dureza (HRA91~95), alta resistencia (resistencia a la flexión 750~1000MPa), buena resistencia al desgaste, buena estabilidad química, buen rendimiento antiadherente, bajo coeficiente de fricción y bajo precio. No solo eso, las herramientas de corte de cerámica también tienen una dureza muy alta a alta temperatura, alcanzando HRA80 a 1200 °C. Durante el corte normal, las herramientas de fresado de cerámica son extremadamente duraderas y la velocidad de corte puede ser de 2 a 5 veces mayor que la del carburo.
En los últimos años, debido al control de la pureza de la materia prima y el refinamiento del tamaño de las partículas, se han añadido diversos carburos, nitruros, boruros y óxidos para mejorar su rendimiento. Su tenacidad a la fractura también se puede mejorar mediante el efecto sinérgico de partículas, bigotes, cambios de fase, microfisuras y varios mecanismos de endurecimiento. No solo aumenta la resistencia a la flexión a 0,9 ~ 1,0 GPa (la más alta puede alcanzar 1,3-1,5 GPa), sino que la tenacidad a la fractura y la resistencia al impacto mejoran enormemente, y el ámbito de aplicación se amplía cada vez más. Además del acabado general y el semiacabado, también se puede utilizar para desbaste bajo carga de impacto. Es reconocido internacionalmente como la herramienta con mayor potencial para mejorar la eficiencia de la producción.
En la actualidad, las herramientas cerámicas pueden procesar materiales como acero, hierro fundido y sus aleaciones a altas velocidades de corte de 200~1000 m/min. La vida útil de la herramienta es varias veces o incluso decenas de veces mayor que la del carburo cementado. En comparación con las herramientas superduras como el diamante y el CBN (nitruro de boro cúbico), las cerámicas son relativamente económicas.
Metal Ceramica Ccortando therramientas
Las cerámicas metálicas tienen una alta dureza a temperatura ambiente, dureza a alta temperatura, buena resistencia al desgaste, fuerte resistencia a la oxidación y buena estabilidad química. Los materiales de las herramientas de cerámica metálica incluyen principalmente carburo cementado a base de TiC (TiC+Ni o Mo) con alta resistencia al desgaste, carburo cementado a base de TiC (TiC+TaC+WC) con alta tenacidad, carburo cementado a base de TiN fuerte y carburo cementado a base de TiCN de alta resistencia y tenacidad (TiCN+NbC). Las herramientas hechas de estas aleaciones pueden procesar acero y acero de aleación a altas velocidades dentro del rango de υc = 300 m/min ~ 500 m/min, y procesar finamente hierro fundido. Las cerámicas metálicas se pueden convertir en brocas, fresas y fresas madre. Por ejemplo, la fresadora de cerámica metálica desarrollada en Japón tiene una velocidad de υc=600m/min, que es aproximadamente de 10 a 20 veces la de la fresadora de carburo, y el valor de rugosidad superficial Rmax de la superficie mecanizada es de 2μm.
Herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN)
Las herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) tienen una dureza alta, superada solo por el diamante (hasta 8000 HV ~ 9000 HV), y una alta estabilidad térmica (hasta 1250 ℃ ~ 1350 ℃). Es químicamente inerte a los elementos de hierro, tiene una fuerte capacidad antiadherente y se puede rectificar y afilar con una muela de diamante. Por lo tanto, es adecuado para procesar varios aceros endurecidos, materiales de pulverización térmica, hierro fundido enfriado y materiales a base de cobalto y níquel por encima de 35 HRC. Debido a que las herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) pueden obtener una buena rugosidad superficial al procesar piezas de alta dureza, el uso de herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) puede reemplazar el rectificado con el torneado y el fresado, mejorando en gran medida la eficiencia del procesamiento.
Herramientas de diamante policristalino (PCD)
Herramientas de diamante policristalino (PCD) Las herramientas de PCD pueden lograr un procesamiento de alta velocidad de metales no ferrosos y materiales no metálicos resistentes al desgaste. Se informa que la velocidad de corte de las brocas de PCD para procesar aleaciones de Si-Al es de 300 m/min~400 m/min. Las brocas de PCD y de carburo compuesto se utilizan para procesar aleaciones de Al, aleaciones de Mg, materiales compuestos FRP, grafito y piezas brutas de pulvimetalurgia. En comparación con las herramientas de carburo, la vida útil de la herramienta aumenta entre 65 y 145 veces. La velocidad υc de las fresas de planear PCD que utilizan cuerpos de fresa de aleación de Al de alta resistencia para procesar aleaciones es de 3000 m/min~4000 m/min, y algunas alcanzan los 7000 m/min. En los últimos años, se han desarrollado en el extranjero herramientas de película de diamante (insertos de torneado y fresado, brocas helicoidales, fresas de extremo, machos de roscar, etc.) y su vida útil es de 10 a 140 veces mayor que la de las herramientas de carburo.
Herramientas de corte complejas de carburo y acero de alta velocidad de alto rendimiento
Las fresas para engranajes fabricadas con acero de alta velocidad al cobalto de alto rendimiento, acero de alta velocidad de pulvimetalurgia y carburo cementado se pueden utilizar para el corte a alta velocidad de engranajes. Las fresas para engranajes fabricadas con nuevos materiales de pulvimetalurgia hechos de polvo de carburo cementado y polvo de acero de alta velocidad pueden alcanzar una velocidad de tallado de 150 m/min a 180 m/min. Después del tratamiento de recubrimiento TiAlN, se pueden utilizar para el corte en seco a alta velocidad de engranajes. Cuando se añaden brocas helicoidales hechas de carburo cementado de grano fino y recubiertas con recubrimientos resistentes al desgaste, resistentes al calor y lubricantes con refrigerante para procesar acero estructural al carbono y acero de aleación, la velocidad de corte puede alcanzar los 200 m/min, y la velocidad de corte también puede alcanzar los 150 m/min cuando se corta en seco. Cuando se utilizan machos de roscar hechos de carburo cementado de grano fino para procesar fundición gris, la velocidad de corte puede alcanzar los 100 m/min.
Selección razonable de herramientas de corte según los materiales a procesar
Cómo seleccionar correctamente las herramientas de corte para procesar los materiales de la pieza de trabajo correspondientes, mejorando así la productividad del procesamiento y reduciendo los costos de producción, es una cuestión muy importante. Cada material de herramienta tiene su rango de procesamiento específico. En términos generales, las herramientas de corte CBN, de cerámica metálica, de cerámica y revestidas son adecuadas para procesar materiales metálicos ferrosos como el acero. Las herramientas de corte PCD son adecuadas para el procesamiento a alta velocidad de metales no ferrosos como el aluminio, el magnesio, el cobre y sus aleaciones y materiales no metálicos.
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Las herramientas de corte de cerámica son adecuadas para procesar diversos tipos de hierro fundido, piezas de acero y aleaciones de alta temperatura a base de níquel. Las diferentes variedades y herramientas de corte de cerámica tienen diferentes rangos de procesamiento. Las herramientas de corte de cerámica a base de Al2O3 tienen buena resistencia al desgaste, resistencia al calor y buena estabilidad química a alta temperatura, y se pueden utilizar para procesar hierro fundido, acero y sus aleaciones. Las herramientas de corte de cerámica a base de Si3N4 tienen buena tenacidad a la fractura y resistencia a la vibración térmica, y son adecuadas para el procesamiento intermitente de hierro fundido y hierro fundido aleado.
Las herramientas de corte de fresado de cerámica de metal no solo tienen la dureza de la cerámica, sino que también tienen la alta resistencia del carburo cementado, buena resistencia a la adhesión y resistencia al desgaste. Tiene baja afinidad con el acero y es adecuada para el corte de acero para matrices a velocidad media y alta. Cuando la velocidad de corte es inferior a 750 m/min, se pueden procesar piezas de hierro fundido.
Las herramientas de corte de diamante son adecuadas para procesar materiales no metálicos, metales no ferrosos y sus aleaciones. Debido a que el diamante tiene poca estabilidad térmica y una fuerte afinidad química con el hierro, el PCD no es adecuado para procesar materiales de acero. El diamante tiene un coeficiente de fricción pequeño, no tiene afinidad con los metales no ferrosos y las virutas fluyen fácilmente. Tiene una alta conductividad térmica, no es fácil producir bordes acumulados durante el corte y tiene una buena calidad de superficie. Es más adecuado para el procesamiento de ultraprecisión de materiales metálicos no ferrosos, metales no ferrosos y materiales no metálicos. Como cobre, aluminio y otros metales no ferrosos y sus aleaciones, cerámica, carburos sinterizados en polvo, varios materiales compuestos reforzados con fibras y partículas, plásticos, caucho, grafito, vidrio y varias maderas resistentes al desgaste (especialmente materiales compuestos como madera maciza y madera contrachapada).
Las herramientas de nitruro de boro cúbico son adecuadas para procesar diversos aceros endurecidos, materiales de pulverización térmica, fundición enfriada y materiales a base de cobalto y níquel por encima de 35HRC. Cuanto mayor sea la dureza del material procesado, más puede reflejar las ventajas de las herramientas de nitruro de boro cúbico. Los países extranjeros también han desarrollado herramientas CBN con diferentes contenidos de CBN para aprovechar al máximo el rendimiento de corte de las herramientas CBN. Se informa que la velocidad de procesamiento de fundición gris con BN-10 puede alcanzar los 2000 m/min.
La actualización continua de los materiales de las herramientas ha hecho que el procesamiento de corte se desarrolle hacia la alta velocidad y la ultraalta velocidad. Varios materiales de herramientas se combinan con los materiales de la pieza de trabajo correspondientes. Y con diferentes rangos de velocidad de corte, las herramientas revestidas dominarán el campo del corte de alta velocidad. Las ventajas inherentes de las herramientas cerámicas se desarrollarán más ampliamente. El CBN y el PCD ocuparán una posición importante en el corte de alta velocidad, y sus aplicaciones serán cada vez más extensas. El fortalecimiento de la investigación y el desarrollo de materiales para herramientas de corte de alta velocidad será de gran importancia para la aplicación y el desarrollo de la tecnología de corte de alta velocidad.
A partir del estudio del mecanismo de corte de alta velocidad, podemos ver que con el aumento de la velocidad de corte, la tasa de eliminación de metal mejora en gran medida. La alta tasa de deformación del material (aproximadamente 1,67 × 105/s a una velocidad de corte de 500 m/min y una temperatura de corte de 1400 ℃) hace que el proceso de formación de viruta y los diversos fenómenos que ocurren en la superficie de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo sean diferentes a los de las condiciones de corte tradicionales. La dureza en caliente y el desgaste de la herramienta se convierten en la clave. Para lograr un corte de alta velocidad, se deben admitir materiales de herramientas y tecnologías de fabricación de herramientas adecuadas para el corte de alta velocidad.
Los materiales para herramientas de corte de metales que se utilizan actualmente se pueden dividir en nueve categorías. Van desde el acero de alta velocidad con la velocidad de corte más baja y la peor resistencia al desgaste hasta las herramientas de diamante policristalino con el mejor rendimiento a alta velocidad. El corte a alta velocidad también requiere materiales para herramientas con buena tenacidad, fuerte resistencia al impacto y buena resistencia al desgaste.
En términos generales, las herramientas de bajo rendimiento, como el acero de alta velocidad y el carburo cementado sin recubrimiento, se utilizan ampliamente en los procesos de corte ordinarios, pero su rendimiento a alta velocidad no es bueno. Las herramientas de alto rendimiento, como las herramientas de diamante policristalino, son las más duras de todos los materiales para herramientas. Tienen una resistencia al desgaste y una capacidad de velocidad muy altas, y el calor de corte casi no tiene efecto sobre ellas. Su superioridad se refleja plenamente en el procesamiento a alta velocidad de metales no ferrosos y materiales no metálicos. Sin embargo, su resistencia al impacto es deficiente y su rendimiento térmico es muy deficiente al cortar materiales de acero y hierro fundido. Porque al cortar metales ferrosos a alta velocidad, los átomos de carbono del material de la herramienta se difundirán en la pieza de trabajo, lo que hará que aumente el desgaste de la herramienta.
Las herramientas de carburo son las más utilizadas y representan el 80% de las ventas totales de diversas herramientas. El 90% de corte de metal a velocidades normales utiliza herramientas de carburo. El carburo tiene una tenacidad al impacto relativamente buena, pero un rendimiento deficiente a alta velocidad. Además, las herramientas de corte de alta velocidad también deben tener una dureza térmica y una estabilidad química extremadamente altas, que el carburo no puede cumplir.
Las herramientas de CBN tienen una excelente resistencia al calor y pueden cortar materiales duros a altas temperaturas. Sin embargo, son caras y no pueden procesar materiales metálicos blandos. Los materiales cerámicos a base de aluminio con buena estabilidad química son adecuados únicamente para este tipo de procesamiento, pero carecen de dureza térmica y no se pueden utilizar para el procesamiento a alta velocidad.
Concentrarse en las ventajas de los materiales de herramientas con diferentes características y desarrollar nuevos materiales de herramientas. Hacer que tengan tanto tenacidad al impacto como alta resistencia al desgaste es uno de los principales problemas a resolver en la investigación de herramientas de corte de alta velocidad. Sobre el material base de la herramienta con una tenacidad al impacto relativamente buena, la superficie se recubre con materiales con buena dureza térmica y resistencia al desgaste. La nueva herramienta a menudo tiene las ventajas de dos materiales, y este tipo de herramienta tiene una amplia gama de aplicaciones en el corte de alta velocidad.
Bajo la guía de esta idea, han aparecido una tras otra nuevas herramientas compuestas, como herramientas recubiertas de carburo, herramientas recubiertas de CBN y herramientas recubiertas de PCD, adecuadas para el corte a alta velocidad de diferentes materiales metálicos.
Las herramientas de carburo revestido adecuadas para cortes a alta velocidad utilizan materiales de revestimiento con buena resistencia al calor y alta dureza y tecnología de revestimiento multicapa. El rango de corte de las herramientas de carburo revestido es amplio y la vida útil es larga. Su rendimiento de corte es mucho mejor que el del carburo sin revestimiento. Por lo tanto, el carburo revestido tiene una tendencia a reemplazar al carburo sin revestimiento común.
La tecnología de recubrimiento de herramientas no solo se puede utilizar en herramientas de carburo endurecido, sino que también tiene buenos efectos en otros materiales de herramientas, como metalcerámica y cerámica.
Las herramientas de cerámica también son herramientas que se pueden utilizar para el corte a alta velocidad y son una parte importante de la investigación y el desarrollo de materiales para herramientas en los últimos años. Las herramientas de cerámica reforzadas con bigotes son herramientas hechas de materiales especiales. Debido a que tienen buena tenacidad al impacto y fuerte resistencia al choque térmico, son muy adecuadas para el procesamiento a alta velocidad.
Otro problema que las herramientas de corte de alta velocidad deben resolver es el de rectificar o prensar ranuras rompevirutas de una determinada geometría en la hoja. Para lograr la rotura de la viruta y controlar la dirección de la misma, esta también es una tecnología importante para mejorar la eficiencia del procesamiento y la durabilidad de la herramienta.
Las herramientas de corte de alta velocidad deben tener una excelente resistencia al impacto y al choque térmico, mejor resistencia al calor, resistencia al desgaste y estabilidad química, y un mejor efecto de rotura de viruta, y ser adecuadas para un rango más amplio de corte de metales.
Tendencia de desarrollo del corte de alta velocidad
Desarrollar y fabricar una nueva generación de máquinas herramienta de alta velocidad y alta potencia para mejorar y optimizar aún más el rendimiento del husillo.
Es necesario desarrollar nuevos materiales para herramientas resistentes al desgaste y al calor, y mejorar aún más la estructura de las herramientas de alta velocidad. Dado que las herramientas de corte de alta velocidad determinan directamente los beneficios, la calidad y la seguridad del corte de alta velocidad, son la base para promover e implementar la tecnología de corte de alta velocidad.
Desarrollar y promover nuevos procesos de corte en seco y corte duro. En los últimos años, los países extranjeros han desarrollado y aplicado nuevos procesos de corte en seco y corte duro (es decir, corte de piezas de trabajo endurecidas) en el proceso de desarrollo del corte de alta velocidad. Dado que el corte en seco tiene el efecto de proteger el medio ambiente, el corte duro puede reemplazar al rectificado para mejorar la eficiencia del trabajo. Y ha ganado un nuevo desarrollo, pero ambos tipos de corte requieren materiales de herramientas de alto rendimiento.
