Atualmente, vários materiais difíceis de processar, como aço endurecido, metal sinterizado superduro, superligas resistentes ao calor, materiais bimetálicos, etc., têm sido cada vez mais amplamente utilizados na fabricação de peças industriais. Embora peças feitas desses materiais possam atingir excelente desempenho, elas também trazem um problema: como atingir a conformação final das peças a um custo razoável por peça.
Felizmente, os fornecedores de ferramentas de corte CNC desenvolveram com sucesso vários novos insertos de corte para fresamento e torneamento de materiais difíceis de processar. Como revestido pastilhas de carboneto, insertos de metal-cerâmica, insertos de CBN, insertos de PCD, etc. Esses novos insertos de material usam geometrias e revestimentos de superfície especiais, têm excelente resistência ao desgaste e podem suportar choques mecânicos e térmicos durante o processamento. No entanto, como usar esses insertos de corte de forma razoável e eficaz na produção requer uma cooperação próxima com fornecedores de ferramentas que tenham conhecimento profissional.
Como o custo de insertos de corte é relativamente baixo (geralmente, o custo de insertos de carboneto responde por apenas 3% do custo total de processamento, e insertos de CBN respondem por 5% a 6% do custo total de processamento), pode não ser econômico escolher cegamente insertos mais baratos para economizar custos de processamento. Embora novos insertos de material sejam mais caros, eles podem encurtar o tempo de processamento, estender a vida útil da ferramenta e melhorar a qualidade do produto, de modo que podem ter melhor eficiência econômica.
Por outro lado, escolher cegamente novos insertos de material sem considerar as reais necessidades de processamento também pode aumentar os custos de processamento (o preço dos insertos de CBN pode ser de 8 a 10 vezes maior que o dos insertos de carboneto). Além disso, ao usar novos insertos de material, se velocidades de corte e taxas de avanço incorretas forem usadas, a qualidade do processamento da peça e a vida útil da ferramenta também serão afetadas. Portanto, ao selecionar insertos de corte para materiais difíceis de processar, é necessário avaliar corretamente a eficiência econômica do processamento e considerar de forma abrangente todo o processo de processamento.
Quais fatores devem ser considerados ao escolher pastilhas de corte
Ao selecionar insertos de corte, toda a tarefa de usinagem precisa ser avaliada. Sob a premissa de atender aos requisitos de precisão dimensional da peça de trabalho e acabamento de superfície, e levando em consideração o tempo de usinagem e a substituição do inserto, os insertos de carboneto de preço relativamente baixo podem obter melhor economia de usinagem. Ao entender com precisão e pesar de forma abrangente o lote de produção, o tempo de usinagem e o desempenho do inserto, os insertos de corte podem ser razoavelmente selecionados para obter o efeito de usinagem de melhorar a produtividade.
Tomando como exemplo a fresagem de lâminas de turbina a gás feitas de carboneto de titânio sinterizado, quando o tamanho do lote de peças de trabalho é pequeno, o uso de insertos de carboneto revestidos também pode obter melhores resultados de processamento. A uma velocidade de corte de 35 m/min, a vida útil da aresta de corte dos insertos de carboneto é de apenas 5 a 10 minutos, enquanto a vida útil razoável do inserto para processamento em larga escala de peças de trabalho difíceis de processar geralmente é necessária para atingir 15 a 30 minutos. No processamento de pequenos lotes, o impacto da vida útil mais curta do inserto e da substituição mais frequente dos insertos na produtividade não é óbvio; mas no processamento de carga total em larga escala, a vida útil mais longa do inserto é de vital importância para reduzir o tempo auxiliar de troca de ferramentas, reduzir a intensidade de trabalho e melhorar a utilização da máquina-ferramenta e a capacidade de produção. Portanto, quando o tamanho do lote de lâminas de turbina é grande, pode ser mais razoável usar insertos de CBN com maior dureza e preço mais alto.
Para utilizar totalmente o desempenho de corte de insertos de material avançado, também é necessário selecionar a taxa de avanço e a velocidade de corte corretas. Tomando os insertos de CBN como exemplo, as arestas de corte desses insertos foram reforçadas e passivadas, o que pode efetivamente evitar lascas ao cortar materiais de peças de trabalho com uma dureza de >50HRC. Embora os insertos de CBN tenham excelente tenacidade, a seleção de parâmetros de corte ainda é muito rigorosa. Se a velocidade de corte selecionada for 10% maior ou menor que o valor ideal, o desempenho de corte dos insertos pode ser bastante reduzido.
Para implementar o corte de materiais difíceis de usinar, você pode considerar buscar suporte técnico de fornecedores profissionais de ferramentas, que podem fornecer soluções razoáveis com base em outros exemplos de processamento semelhantes. Quando testes de corte são necessários, métodos de tentativa e erro geralmente podem ser usados, ou seja, primeiro cortando com insertos de carboneto e, em seguida, trocando para novos insertos de material para corte comparativo para comparar os efeitos de processamento de diferentes insertos. Formatos avançados de insertos, porta-ferramentas de alta rigidez e procedimentos de processamento otimizados geralmente podem tornar insertos de carboneto de menor preço adequados para cortar materiais difíceis de usinar. Se é necessário substituir insertos por novos materiais deve ser determinado de acordo com as tarefas de processamento específicas e condições de processamento. Para a mesma categoria de materiais difíceis de processar, geralmente há certas semelhanças na seleção de insertos de corte.
Atualmente, muitas peças de aço de liga têm requisitos cada vez maiores de dureza. No passado, a dureza de aplicação do aço para ferramentas era geralmente 45HRC, mas agora o aço para ferramentas usado na indústria de moldes geralmente precisa ser endurecido a 63HRC. Para evitar a deformação do tratamento térmico, alguns moldes que só podiam ser cortados antes do tratamento térmico no passado precisam ser fresados com precisão em um estado totalmente endurecido. Ao fresar aço totalmente endurecido, o calor de corte e a pressão de corte gerados podem causar deformação plástica das pastilhas de corte e fazer com que as pastilhas falhem rapidamente. Por exemplo, ao fresar aço endurecido com uma dureza de 60HRC (a dureza das partículas de carboneto no material pode atingir 90HRC), as pastilhas de carboneto revestidas comuns sofrerão desgaste rápido da face posterior
Embora o aço endurecido seja difícil de cortar, peças de aço totalmente endurecidas podem ser usinadas economicamente usando insertos de carboneto. Tomando o processamento de peças aeroespaciais como exemplo, após a substituição dos insertos de cermet originais por insertos de carboneto, o processamento de furos secundários de forjados de grande porte feitos de aço 3000M endurecido (4340 modificado) foi concluído com sucesso. A maior parte da margem de usinagem do furo processado foi removida antes do tratamento térmico (dureza do material 30 ~ 32HRC), mas para corrigir a deformação do tratamento térmico, furos de precisão em peças de trabalho de grande porte devem ser completamente endurecidos após a peça de trabalho (dureza atinge 54 ~ 55HRC) para corte secundário. Como o furo a ser processado está localizado profundamente na peça de trabalho, a topografia especial da peça de trabalho torna o processamento bastante difícil, então são necessárias três passagens de corte para atingir a precisão dimensional e o acabamento de superfície necessários.
A alta dureza do material, juntamente com o método de corte intermitente, faz com que a aresta de corte dos insertos de cermet originais colapse e se torne ineficaz antes de completar uma única passagem de corte. Os insertos colapsados podem causar o risco de raspar a peça de trabalho. Após a troca para insertos de carboneto de grão fino revestidos com PVD, a tenacidade e a nitidez da ferramenta são significativamente melhoradas, e o corte pode ser concluído com sucesso em 6 a 9 passagens. Após a troca para insertos de carboneto, o fornecedor da ferramenta recomendou reduzir a velocidade de corte dos 90 m/min originais para 53 m/min, mas a profundidade de corte permaneceu inalterada. Após a redução da velocidade de corte, leva cerca de 20 minutos para completar as três passagens de corte do furo com insertos de carboneto, enquanto originalmente levava mais de uma hora para processar com ferramentas de cermet. Mais importante, aumenta a segurança da aresta de corte dos insertos de carboneto, reduzindo muito o risco de peças de trabalho caras serem sucateadas devido ao lascamento da ferramenta.
Para obter parâmetros de corte razoáveis para insertos de carboneto fresando aço endurecido, testes de corte de ferramentas podem ser realizados. Durante o corte de teste, a velocidade de corte pode ser geralmente selecionada de 30 m/min a 45-55 m/min; a taxa de avanço é geralmente de 0,075-0,1 mm/dente. Em geral, insertos com ângulo de ataque zero ou ângulo de ataque negativo pequeno são mais fortes do que aqueles com ângulo de ataque positivo. Ao usinar aço endurecido, também é mais vantajoso usar insertos de carboneto redondos porque os insertos redondos têm maior resistência e a aresta de corte cega não é fácil de quebrar.
Ao selecionar classes de insertos de carboneto, considere usar classes de alta tenacidade. A segurança da aresta de corte dessas pastilhas é melhor e pode suportar a grande força de corte radial e o impacto severo de entrada e saída ao cortar aço endurecido. Além disso, classes de carboneto de alta temperatura especialmente projetadas podem suportar a grande quantidade de calor de corte gerado ao cortar aço endurecido (HRC60). Insertos de carboneto resistentes a impactos com um revestimento de óxido de alumínio também podem suportar as altas temperaturas geradas ao fresar aço endurecido.
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Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de metalurgia do pó, vários materiais de metal sinterizado superduro (liga de pó) usados em diferentes campos estão surgindo em um fluxo sem fim. Por exemplo, um fabricante desenvolveu uma liga de níquel em pó composta contendo partículas de carboneto de tungstênio (WC) ou carboneto de titânio (TiC), com uma dureza de 53-60HRC, e a dureza das partículas de carboneto na matriz da liga de níquel pode atingir 90HRC. Ao fresar este material, as pastilhas de carboneto revestidas logo desgastarão a face posterior, e a aresta de corte principal ficará plana; as partículas superduras na microestrutura do material causarão "microvibração", resultando em desgaste acelerado das pastilhas; a tensão de cisalhamento gerada ao cortar a peça de trabalho também pode causar a quebra das pastilhas de carboneto.
O uso de insertos de CBN pode resolver melhor o problema de corte de materiais de liga de pó duro contendo partículas de carboneto de tungstênio e carboneto de titânio. A geometria aprimorada do inserto pode superar efetivamente o fenômeno de "microvibração". Quando um usuário fresou uma peça de trabalho de liga de pó composto, ele descobriu que a vida útil de processamento dos novos insertos de CBN era mais de 2.000 vezes maior do que a dos melhores insertos de carboneto. Os testes de corte mostraram que a eficiência de usinagem de materiais de liga de pó duro (velocidade de corte de 60 m/min, taxa de avanço de 0,18 mm/aresta) pode ser aumentada em 75% em comparação com a usinagem por descarga elétrica (corte de fio) usando uma fresa de faceamento equipada com 5 insertos de CBN.
Para utilizar totalmente o melhor desempenho dos insertos de CBN, os parâmetros de corte devem ser rigorosamente controlados dentro de uma faixa razoável. Embora a velocidade de corte de cerca de 50 m/min e a taxa de avanço de 0,1-0,15 mm/dente não sejam altas, elas podem atingir alta produtividade ao processar materiais de liga em pó. Os parâmetros de corte ideais podem ser determinados com precisão por meio de um corte de teste de 30-60 segundos. Durante o corte de teste, você pode começar com uma velocidade baixa e aumentar gradualmente a velocidade de corte até que a aresta de corte do inserto esteja excessivamente desgastada.
Ao processar materiais difíceis de processar, o corte a seco deve ser geralmente usado para manter a temperatura da aresta de corte do inserto constante. Na maioria dos casos, uma ferramenta circular com geometria de ângulo duplo negativo tem o melhor efeito de processamento, e a profundidade de corte deve geralmente ser controlada em 1-2 mm.
Fresamento é um processo de corte interrompido. Durante a usinagem, o impacto contínuo de materiais de peças com dureza de 60HRC ou superior na ferramenta causará enorme estresse de usinagem. Portanto, para fornecer resistência ao impacto suficientemente alta na fresagem, a máquina de usinagem e o sistema de ferramentas devem ter a maior rigidez, o menor comprimento de balanço e a maior resistência.
Insertos Usinagem Super Ligas Resistentes ao Calor
Superligas resistentes ao calor (HRSAs) desenvolvidas para a indústria aeroespacial são agora cada vez mais usadas nas indústrias automotiva, médica, de semicondutores, de equipamentos de geração de energia e outras. Além dos graus comuns de superligas resistentes ao calor (como Inconel 718/625, Waspalloy, liga de titânio 6A14V, etc.), uma variedade de novas ligas à base de titânio e graus de ligas à base de alumínio e magnésio foram desenvolvidas. Todas as superligas resistentes ao calor pertencem à categoria de materiais difíceis de usinar.
As superligas têm alta dureza, e a dureza de processamento de alguns graus de liga de titânio atinge 330HB. Para ligas comuns, quando a temperatura na zona de corte é maior que 1100℃, as cadeias de ligação molecular no material amolecem, e uma zona de fluxo que é propícia à formação de cavacos aparecerá. Ao contrário, a excelente resistência a altas temperaturas das superligas resistentes ao calor permite que elas mantenham alta dureza durante todo o processo de corte.
Superligas resistentes ao calor também têm uma tendência a endurecer a frio quando cortadas, o que pode facilmente causar lascamento prematuro e falha de insertos de corte. Durante o corte, uma camada de incrustação endurecida a frio resistente ao desgaste será gerada na superfície de corte da peça de trabalho, fazendo com que a aresta de corte do inserto se desgaste rapidamente.
Dadas as características difíceis de usinar das superligas, velocidades de corte mais baixas são geralmente usadas durante a usinagem. Por exemplo, a velocidade de corte para fresar chaves de freio de superliga Inconel 718 com pastilhas de carboneto é de 60 m/min; a velocidade de corte para torneamento cilíndrico externo/final de Inconel 718 com pastilhas de CBN é de 80 m/min. Em contraste, a velocidade de corte para corte de aço para ferramentas com pastilhas de carboneto não revestidas pode geralmente atingir 120-240 m/min. A taxa de avanço ao cortar superligas é geralmente equivalente à taxa de avanço para corte de aço para ferramentas.
Ao usinar superligas, a escolha de insertos de corte depende principalmente do material que está sendo usinado e do tipo de peça de trabalho. Para melhorar a eficiência da usinagem, insertos de carboneto com arestas de corte de inclinação positiva podem ser usados ao usinar peças de trabalho de paredes finas, enquanto insertos de cerâmica com arestas de corte de inclinação negativa são necessários ao usinar peças de trabalho de paredes espessas para melhorar o efeito de "aração" dos insertos durante o corte. Para a maioria dos materiais difíceis de usinar, o corte a seco deve ser preferido para manter a temperatura da aresta de corte do inserto constante. Mas ao usinar ligas de titânio, o refrigerante deve ser usado mesmo em baixas velocidades de corte.
Como as superligas resistentes ao calor mantêm alta dureza durante o corte, o desgaste da extremidade chanfrada dos insertos de corte é acelerado. Usar insertos redondos com arestas de corte rombas pode melhorar muito a resistência da aresta de corte, mas a tendência de endurecimento por trabalho a frio das superligas pode levar a lascamento mais severo do inserto. Ao alterar a profundidade de corte durante várias passagens consecutivas, os insertos podem evitar a camada de endurecimento por trabalho a frio formada na superfície da peça de trabalho, reduzindo assim o lascamento do inserto e estendendo a vida útil da aresta de corte. A profundidade de corte pode variar em 7,6 mm para uma passagem e 3,2 mm e 2,5 mm para cortes subsequentes.
Insertos para materiais bimetálicos
Materiais bimetálicos são compostos de materiais mais duros colocados em áreas selecionadas propensas ao desgaste e então cercados (ou misturados) com outros materiais de liga mais macios. Materiais bimetálicos são cada vez mais usados na indústria automotiva e outras indústrias, mas eles também trazem desafios especiais de processamento. Insertos de CBN podem cortar eficientemente ligas duras com uma dureza maior que 50HRC, mas podem quebrar ao cortar ligas macias em materiais bimetálicos. Insertos de PCD podem cortar ligas de alumínio resistentes ao desgaste, mas são propensos a desgaste excessivo ao cortar metais ferrosos.
Para obter usinagem eficiente de materiais bimetálicos, usuários, fornecedores de ferramentas e fabricantes de máquinas-ferramentas precisam desenvolver conjuntamente programas de corte precisos. Por exemplo, um certo material bimetálico é feito incorporando uma liga de pó composto de alta dureza em uma matriz de aço inoxidável 316 barata por meio de um processo de prensagem isostática a quente. Durante a usinagem, o programa de caminho da ferramenta de interpolação espiral precisa ser compilado e inserido no sistema de controle da máquina-ferramenta para usinar a peça do material da liga em pó primeiro e, em seguida, a peça da matriz em uma taxa de avanço e velocidade de corte otimizadas.
Para usinar com eficiência um bloco de cilindro bimetálico composto de uma liga de alumínio e uma junta de cabeçote de ferro fundido, as montadoras devem superar tanto a resistência ao desgaste da liga de alumínio quanto a alta dureza do ferro fundido. Como a junta de cabeçote de ferro fundido mais dura (uma peça propensa ao desgaste) é difícil de isolar do bloco de cilindro de liga de alumínio mais macio, não é apropriado usar um método de usinagem separado. No entanto, ao programar racionalmente a máquina-ferramenta, usando velocidades de corte muito baixas e profundidades de corte muito pequenas, insertos de PCD resistentes ao desgaste podem ser usados para processar liga de alumínio e ferro fundido, evitando assim trocas frequentes de ferramentas durante o processo de usinagem.
