En la actualidad, en la fabricación de piezas industriales se utilizan cada vez más diversos materiales de difícil procesamiento, como acero endurecido, metal sinterizado superduro, superaleaciones resistentes al calor, materiales bimetálicos, etc. Si bien las piezas fabricadas con dichos materiales pueden lograr un rendimiento excelente, también plantean un problema: cómo lograr el conformado final de las piezas a un costo razonable por pieza.
Afortunadamente, los proveedores de herramientas de corte CNC han desarrollado con éxito varios insertos de corte nuevos para fresar y tornear materiales difíciles de procesar, como los revestidos. insertos de carburo, insertos de cerámica metálica, insertos de CBN, insertos de PCD, etc. Estos nuevos insertos de material utilizan geometrías especiales y recubrimientos de superficie, tienen una excelente resistencia al desgaste y pueden soportar choques mecánicos y térmicos durante el procesamiento. Sin embargo, cómo utilizar estos insertos de corte de manera razonable y efectiva en la producción requiere una estrecha cooperación con proveedores de herramientas que tengan conocimientos profesionales.
Dado que el costo de los insertos de corte es relativamente bajo (por lo general, el costo de los insertos de carburo representa solo el 3% del costo total de procesamiento, y los insertos de CBN representan entre el 5% y el 6% del costo total de procesamiento), puede que no sea rentable elegir a ciegas insertos más baratos para ahorrar costos de procesamiento. Aunque los insertos de material nuevo son más caros, pueden acortar el tiempo de procesamiento, extender la vida útil de la herramienta y mejorar la calidad del producto, por lo que pueden tener una mejor eficiencia económica.
Por otro lado, la elección ciega de insertos de material nuevo sin tener en cuenta las necesidades reales de procesamiento también puede aumentar los costos de procesamiento (el precio de los insertos de CBN puede ser de 8 a 10 veces mayor que el de los insertos de carburo). Además, al utilizar insertos de material nuevo, si se utilizan velocidades de corte y velocidades de avance incorrectas, la calidad de procesamiento de la pieza de trabajo y la vida útil de la herramienta también se verán afectadas. Por lo tanto, al seleccionar insertos de corte para materiales difíciles de procesar, es necesario evaluar correctamente la eficiencia económica del procesamiento y considerar de manera integral todo el proceso de procesamiento.
¿Qué factores se deben tener en cuenta al elegir insertos de corte?
Al seleccionar insertos de corte, se debe evaluar toda la tarea de mecanizado. Bajo la premisa de cumplir con los requisitos de precisión dimensional y acabado de la superficie de la pieza de trabajo, y teniendo en cuenta el tiempo de mecanizado y el reemplazo de insertos, los insertos de carburo de precio relativamente bajo pueden lograr una mejor economía de mecanizado. Al comprender con precisión y sopesar de manera integral el lote de producción, el tiempo de mecanizado y el rendimiento del inserto, los insertos de corte se pueden seleccionar razonablemente para lograr el efecto de mecanizado de mejorar la productividad.
Tomando como ejemplo el fresado de álabes de turbinas de gas hechos de carburo de titanio sinterizado, cuando el tamaño del lote de piezas de trabajo es pequeño, el uso de insertos de carburo revestidos también puede lograr mejores resultados de procesamiento. A una velocidad de corte de 35 m/min, la vida útil del filo de corte de los insertos de carburo es de solo 5 a 10 minutos, mientras que la vida útil razonable del inserto para el procesamiento a gran escala de piezas de trabajo difíciles de procesar generalmente se requiere para alcanzar los 15 a 30 minutos. En el procesamiento de lotes pequeños, el impacto de una vida útil más corta del inserto y un reemplazo más frecuente de insertos en la productividad no es obvio; pero en el procesamiento a carga completa a gran escala, una vida útil más larga del inserto es de vital importancia para reducir el tiempo auxiliar de cambio de herramienta, reducir la intensidad de la mano de obra y mejorar la utilización de la máquina herramienta y la capacidad de producción. Por lo tanto, cuando el tamaño del lote de álabes de turbina es grande, puede ser más razonable utilizar insertos CBN con mayor dureza y mayor precio.
Para aprovechar al máximo el rendimiento de corte de los insertos de materiales avanzados, también es necesario seleccionar la velocidad de avance y de corte correctas. Si tomamos como ejemplo los insertos de CBN, los filos de corte de estos insertos se han reforzado y pasivado, lo que puede evitar eficazmente el astillado al cortar materiales de la pieza de trabajo con una dureza de >50HRC. Aunque los insertos de CBN tienen una excelente tenacidad, la selección de los parámetros de corte sigue siendo muy estricta. Si la velocidad de corte seleccionada es 10% mayor o menor que el valor ideal, el rendimiento de corte de los insertos puede reducirse considerablemente.
Para implementar el corte de materiales difíciles de mecanizar, puede considerar buscar soporte técnico de proveedores de herramientas profesionales, quienes pueden brindar soluciones razonables basadas en otros ejemplos de procesamiento similares. Cuando se requieren pruebas de corte, generalmente se pueden utilizar métodos de prueba y error, es decir, primero cortar con insertos de carburo y luego cambiar a insertos de nuevo material para un corte comparativo para comparar los efectos de procesamiento de diferentes insertos. Las formas de inserto avanzadas, los portaherramientas de alta rigidez y los procedimientos de procesamiento optimizados generalmente pueden hacer que los insertos de carburo de menor precio sean adecuados para cortar materiales difíciles de mecanizar. La necesidad de reemplazar los insertos con nuevos materiales debe determinarse de acuerdo con las tareas de procesamiento específicas y las condiciones de procesamiento. Para la misma categoría de materiales difíciles de procesar, generalmente existen ciertos puntos en común en la selección de insertos de corte.
En la actualidad, muchas piezas de trabajo de acero aleado tienen requisitos cada vez más altos de dureza. En el pasado, la dureza de aplicación del acero para herramientas era generalmente de 45HRC, pero ahora el acero para herramientas utilizado en la industria del molde generalmente debe endurecerse a 63HRC. Para evitar la deformación por tratamiento térmico, algunos moldes que solo se podían cortar antes del tratamiento térmico en el pasado deben fresarse con precisión en un estado completamente endurecido. Al fresar acero completamente endurecido, el calor de corte y la presión de corte generados pueden causar una deformación plástica de los insertos de corte y hacer que los insertos fallen rápidamente. Por ejemplo, al fresar acero endurecido con una dureza de 60HRC (la dureza de las partículas de carburo en el material puede alcanzar los 90HRC), los insertos de carburo revestidos comunes experimentarán un desgaste rápido de la cara posterior.
Aunque el acero endurecido es difícil de cortar, las piezas de trabajo de acero completamente endurecido se pueden mecanizar de forma económica utilizando insertos de carburo. Tomando como ejemplo el procesamiento de piezas aeroespaciales, después de reemplazar los insertos de cermet originales con insertos de carburo, se completó con éxito el procesamiento de orificios secundarios de piezas forjadas de gran tamaño hechas de acero 3000M endurecido (4340 modificado). La mayor parte de la tolerancia de mecanizado del orificio procesado se ha eliminado antes del tratamiento térmico (dureza del material 30 ~ 32HRC), pero para corregir la deformación del tratamiento térmico, los orificios de precisión en piezas de trabajo de este tamaño tan grande deben endurecerse por completo después de la pieza de trabajo (la dureza alcanza 54 ~ 55HRC) para el corte secundario. Dado que el orificio a procesar se encuentra en lo profundo de la pieza de trabajo, la topografía especial de la pieza de trabajo hace que el procesamiento sea bastante difícil, por lo que se necesitan tres pasadas de corte para lograr la precisión dimensional y el acabado de la superficie requeridos.
La alta dureza del material, junto con el método de corte intermitente, hace que el filo de corte de los insertos de cermet originales colapse y se vuelva ineficaz antes de completar una sola pasada de corte. Los insertos colapsados pueden provocar el riesgo de raspar la pieza de trabajo. Después de cambiar a insertos de carburo de grano fino recubiertos con PVD, la tenacidad y el filo de la herramienta mejoran significativamente, y el corte se puede completar con éxito en 6 a 9 pasadas. Después de cambiar a insertos de carburo, el proveedor de herramientas recomendó reducir la velocidad de corte de los 90 m/min originales a 53 m/min, pero la profundidad de corte se mantuvo sin cambios. Después de reducir la velocidad de corte, se necesitan unos 20 minutos para completar las tres pasadas de corte del orificio con insertos de carburo, mientras que originalmente se necesitaba más de una hora para procesarlo con herramientas de cermet. Más importante aún, mejora la seguridad del filo de corte de los insertos de carburo, lo que reduce en gran medida el riesgo de que se descarten piezas de trabajo costosas debido al astillado de la herramienta.
Para obtener parámetros de corte razonables para el fresado de acero endurecido con insertos de carburo, se pueden realizar pruebas de corte de herramientas. Durante el corte de prueba, la velocidad de corte se puede seleccionar normalmente de 30 m/min a 45-55 m/min; la velocidad de avance suele ser de 0,075-0,1 mm/diente. En términos generales, los insertos con un ángulo de ataque cero o un ángulo de ataque negativo pequeño son más resistentes que los que tienen un ángulo de ataque positivo. Al mecanizar acero endurecido, también es más ventajoso utilizar insertos de carburo redondos porque los insertos redondos tienen una mayor resistencia y el borde de corte romo no es fácil de romper.
Al seleccionar calidades de insertos de carburo, considere utilizar calidades de alta tenacidad. La seguridad del filo de corte de tales insertos es mejor y puede soportar la gran fuerza de corte radial y el severo impacto de entrada y salida al cortar acero endurecido. Además, las calidades de carburo de alta temperatura especialmente diseñadas pueden soportar la gran cantidad de calor de corte generado al cortar acero endurecido (HRC60). Las plaquitas de carburo resistentes al impacto con un revestimiento de óxido de aluminio también pueden soportar las altas temperaturas generadas al fresar acero endurecido.
IInsertar PAGprocesamiento PAGowder Alloy
Con el desarrollo continuo de la tecnología de pulvimetalurgia, están surgiendo en un flujo interminable varios materiales de metal sinterizado superduro (aleación en polvo) utilizados en diferentes campos. Por ejemplo, un fabricante ha desarrollado una aleación de níquel en polvo compuesta que contiene partículas de carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC), con una dureza de 53-60HRC, y la dureza de las partículas de carburo en la matriz de aleación de níquel puede alcanzar los 90HRC. Al fresar este material, los insertos de carburo recubiertos pronto desgastarán la cara posterior y el filo de corte principal se desgastará hasta quedar plano; las partículas superduras en la microestructura del material provocarán una "microvibración", lo que dará como resultado un desgaste acelerado de los insertos; la tensión de corte generada al cortar la pieza de trabajo también puede provocar que los insertos de carburo se rompan.
El uso de insertos CBN puede resolver mejor el problema de corte de materiales de aleación de polvo duro que contienen partículas de carburo de tungsteno y carburo de titanio. La geometría mejorada del inserto puede superar eficazmente el fenómeno de la "microvibración". Cuando un usuario fresó una pieza de trabajo de aleación de polvo compuesto, descubrió que la vida útil de procesamiento de los nuevos insertos CBN era más de 2000 veces mayor que la de los mejores insertos de carburo. Las pruebas de corte han demostrado que la eficiencia de mecanizado de materiales de aleación de polvo duro (velocidad de corte 60 m/min, velocidad de avance 0,18 mm/borde) se puede aumentar en 75% en comparación con el mecanizado por descarga eléctrica (corte de alambre) utilizando una fresa frontal equipada con 5 insertos CBN.
Para aprovechar al máximo el rendimiento de las plaquitas CBN, los parámetros de corte deben controlarse estrictamente dentro de un rango razonable. Aunque la velocidad de corte de aproximadamente 50 m/min y la velocidad de avance de 0,1-0,15 mm/diente no son altas, pueden lograr una alta productividad al procesar materiales de aleación en polvo. Los parámetros de corte óptimos se pueden determinar con precisión mediante un corte de prueba de 30 a 60 segundos. Durante el corte de prueba, puede comenzar con una velocidad baja y aumentar gradualmente la velocidad de corte hasta que el filo de corte de la plaquita se desgaste excesivamente.
Al procesar materiales difíciles de procesar, generalmente se debe utilizar el corte en seco para mantener constante la temperatura del filo de corte de la plaquita. En la mayoría de los casos, una herramienta circular con una geometría de ángulo negativo doble tiene el mejor efecto de procesamiento y la profundidad de corte generalmente se debe controlar a 1-2 mm.
El fresado es un proceso de corte interrumpido. Durante el mecanizado, el impacto continuo de materiales de la pieza de trabajo con una dureza de 60 HRC o superior sobre la herramienta provocará una enorme tensión de mecanizado. Por lo tanto, para proporcionar una resistencia al impacto suficientemente alta en el fresado, la máquina de mecanizado y el sistema de herramientas deben tener la mayor rigidez, la menor longitud de voladizo y la mayor resistencia.
Insertos para mecanizado de superaleaciones resistentes al calor
Las superaleaciones resistentes al calor (HRSAs) desarrolladas para la industria aeroespacial se utilizan cada vez más en la industria automotriz, médica, de semiconductores, de equipos de generación de energía y otras industrias. Además de los grados comunes de superaleaciones resistentes al calor (como Inconel 718/625, Waspalloy, aleación de titanio 6A14V, etc.), se han desarrollado una variedad de nuevas aleaciones basadas en titanio y grados de aleaciones basadas en aluminio y magnesio. Todas las superaleaciones resistentes al calor pertenecen a la categoría de materiales difíciles de mecanizar.
Las superaleaciones tienen una dureza alta y la dureza de procesamiento de algunos grados de aleación de titanio alcanza los 330 HB. En el caso de las aleaciones comunes, cuando la temperatura en la zona de corte es superior a 1100 ℃, las cadenas de unión molecular del material se ablandan y aparece una zona de flujo que favorece la formación de virutas. Por el contrario, la excelente resistencia a altas temperaturas de las superaleaciones resistentes al calor les permite mantener una alta dureza durante todo el proceso de corte.
Las superaleaciones resistentes al calor también tienen tendencia a endurecerse en frío al cortarse, lo que puede provocar fácilmente un astillado prematuro y la falla de los insertos de corte. Durante el corte, se generará una capa de cascarilla endurecida en frío resistente al desgaste en la superficie de corte de la pieza de trabajo, lo que hará que el filo de corte del inserto se desgaste rápidamente.
Dadas las características de dificultad de mecanización de las superaleaciones, se suelen utilizar velocidades de corte más bajas durante el mecanizado. Por ejemplo, la velocidad de corte para fresar llaves de freno de superaleación Inconel 718 con insertos de carburo es de 60 m/min; la velocidad de corte para torneado cilíndrico/de extremos externos de Inconel 718 con insertos de CBN es de 80 m/min. Por el contrario, la velocidad de corte para cortar acero para herramientas con insertos de carburo sin recubrimiento generalmente puede alcanzar los 120-240 m/min. La velocidad de avance al cortar superaleaciones suele ser equivalente a la velocidad de avance para cortar acero para herramientas.
Al mecanizar superaleaciones, la elección de las plaquitas de corte depende principalmente del material que se mecaniza y del tipo de pieza de trabajo. Para mejorar la eficiencia del mecanizado, se pueden utilizar plaquitas de carburo con filos de corte de inclinación positiva al mecanizar piezas de trabajo de paredes delgadas, mientras que se requieren plaquitas de cerámica con filos de corte de inclinación negativa al mecanizar piezas de trabajo de paredes gruesas para mejorar el efecto de "arado" de las plaquitas durante el corte. Para la mayoría de los materiales difíciles de mecanizar, se debe preferir el corte en seco para mantener constante la temperatura del filo de corte de la plaquita. Pero al mecanizar aleaciones de titanio, se debe utilizar refrigerante incluso a bajas velocidades de corte.
Dado que las superaleaciones resistentes al calor mantienen una alta dureza durante el corte, se acelera el desgaste del extremo biselado de los insertos de corte. El uso de insertos redondos con bordes de corte romos puede mejorar en gran medida la resistencia del borde de corte, pero la tendencia al endurecimiento por trabajo en frío de las superaleaciones puede provocar un astillado más severo del inserto. Al cambiar la profundidad de corte durante varias pasadas consecutivas, los insertos pueden evitar la capa de endurecimiento por trabajo en frío que se forma en la superficie de la pieza de trabajo, lo que reduce el astillado del inserto y extiende la vida útil del borde de corte. La profundidad de corte puede variar en 7,6 mm para una pasada y 3,2 mm y 2,5 mm para cortes posteriores.
Insertos para materiales bimetálicos
Los materiales bimetálicos están compuestos de materiales más duros colocados en áreas seleccionadas propensas al desgaste y luego rodeados (o mezclados) con otros materiales de aleación más blandos. Los materiales bimetálicos se utilizan cada vez más en la industria automotriz y otras industrias, pero también presentan desafíos de procesamiento especiales. Los insertos CBN pueden cortar de manera eficiente aleaciones duras con una dureza mayor a 50HRC, pero pueden romperse al cortar aleaciones blandas en materiales bimetálicos. Los insertos PCD pueden cortar aleaciones de aluminio resistentes al desgaste, pero son propensos a un desgaste excesivo al cortar metales ferrosos.
Para lograr un mecanizado eficiente de materiales bimetálicos, los usuarios, proveedores de herramientas y fabricantes de máquinas herramienta deben desarrollar conjuntamente programas de corte precisos. Por ejemplo, un determinado material bimetálico se fabrica incorporando una aleación de polvo compuesta de alta dureza en una matriz de acero inoxidable 316 económica mediante un proceso de prensado isostático en caliente. Durante el mecanizado, es necesario compilar el programa de trayectoria de la herramienta de interpolación en espiral e ingresarlo en el sistema de control de la máquina herramienta para mecanizar primero la parte del material de aleación de polvo y luego la parte de la matriz a una velocidad de avance y de corte optimizadas.
Para mecanizar de manera eficiente un bloque de cilindros bimetálico compuesto por una aleación de aluminio y una junta de culata de hierro fundido, los fabricantes de automóviles deben superar tanto la resistencia al desgaste de la aleación de aluminio como la alta dureza del hierro fundido. Debido a que la junta de culata de hierro fundido más dura (una pieza propensa al desgaste) es difícil de aislar del bloque de cilindros de aleación de aluminio más blanda, no es apropiado utilizar un método de mecanizado separado. Sin embargo, mediante la programación racional de la máquina herramienta, utilizando velocidades de corte muy bajas y profundidades de corte muy pequeñas, se pueden utilizar insertos PCD resistentes al desgaste para procesar tanto la aleación de aluminio como el hierro fundido, evitando así cambios frecuentes de herramienta durante el proceso de mecanizado.
