1. Proprietà di base che devono avere i materiali degli utensili
La selezione dei materiali degli utensili ha un grande impatto sulla durata dell'utensile, l'efficienza di lavorazione, la qualità di lavorazione e il costo di lavorazione. Durante il taglio, gli utensili devono resistere ad alta pressione, alta temperatura, attrito, impatto e vibrazione. Pertanto, i materiali degli utensili devono avere le seguenti proprietà di base:
(1) Durezza e resistenza all'usura. La durezza del materiale dell'utensile deve essere superiore alla durezza del materiale del pezzo in lavorazione, generalmente richiesta superiore a 60HRC. Maggiore è la durezza del materiale dell'utensile, migliore è la resistenza all'usura.
(2) Resistenza e tenacità. Il materiale dell'utensile deve avere elevata resistenza e tenacità per resistere alla forza di taglio, all'impatto e alle vibrazioni e prevenire la frattura fragile e la scheggiatura dell'utensile.
(3) Resistenza al calore. Il materiale dell'utensile deve avere una buona resistenza al calore, essere in grado di sopportare alte temperature di taglio e avere una buona capacità antiossidante.
(4) Prestazioni di processo ed economia. Il materiale dell'utensile dovrebbe avere buone prestazioni di forgiatura, prestazioni di trattamento termico, prestazioni di saldatura; prestazioni di rettifica, ecc. e dovrebbe perseguire un elevato rapporto prestazioni-prezzo.
2. Tipi, prestazioni, caratteristiche e applicazioni dei materiali degli utensili
1. Tipi, proprietà e caratteristiche dei materiali degli utensili diamantati e applicazioni degli utensili
Il diamante è un allotropo del carbonio ed è il materiale più duro presente in natura. Gli utensili diamantati hanno elevata durezza, elevata resistenza all'usura e elevata conduttività termica e sono ampiamente utilizzati nella lavorazione di metalli non ferrosi e materiali non metallici. Soprattutto nel taglio ad alta velocità di leghe di alluminio e silicio-alluminio, gli utensili diamantati sono la principale varietà di utensili da taglio difficile da sostituire. Gli utensili diamantati che possono raggiungere elevata efficienza, elevata stabilità e lavorazione a lunga durata sono uno strumento indispensabile e importante nella moderna lavorazione CNC.
1) Tipi di utensili diamantati
① Utensili in diamante naturale: il diamante naturale è stato utilizzato come utensile da taglio per centinaia di anni. Dopo una macinatura fine, l'utensile in diamante monocristallino naturale può essere estremamente affilato, con un raggio di taglio fino a 0.002μm, che può raggiungere un taglio ultrasottile e può elaborare un'altissima precisione del pezzo e una rugosità superficiale estremamente bassa. È uno strumento di lavorazione di altissima precisione riconosciuto, ideale e insostituibile.
② Utensile diamantato PCD: il diamante naturale è costoso e il diamante più ampiamente utilizzato per il taglio è il diamante policristallino (PCD). Dall'inizio degli anni '70, dopo lo sviluppo di successo delle lame di diamante policristallino (diamante policristallino, denominato PCD) preparate con tecnologia di sintesi ad alta temperatura e alta pressione, gli utensili diamantati naturali sono stati sostituiti dal diamante policristallino artificiale in molte occasioni. Le materie prime PCD sono abbondanti e il suo prezzo è solo di pochi decimi a una dozzina di diamanti naturali.
Gli utensili in PCD non possono affilare bordi estremamente affilati e la qualità della superficie del pezzo lavorato non è buona come quella del diamante naturale. Attualmente, non è facile produrre lame in PCD con rompitruciolo nel settore. Pertanto, il PCD può essere utilizzato solo per il taglio di precisione di metalli non ferrosi e non metalli ed è difficile ottenere un taglio a specchio ultra-preciso.
③ Utensili diamantati CVD: la tecnologia dei diamanti CVD è apparsa in Giappone dalla fine degli anni '70 e dall'inizio degli anni '80. Il diamante CVD si riferisce alla sintesi di una pellicola di diamante su un substrato eterogeneo (come carburo cementato, ceramica, ecc.) mediante deposizione chimica da vapore (CVD). Il diamante CVD ha la stessa struttura e le stesse proprietà del diamante naturale.
Le prestazioni del diamante CVD sono molto vicine a quelle del diamante naturale. Presenta i vantaggi del diamante monocristallino naturale e del diamante policristallino (PCD) e, in una certa misura, ne supera i difetti.
(2) Caratteristiche prestazionali degli utensili diamantati
① Durezza e resistenza all'usura estremamente elevate: il diamante naturale è la sostanza più dura presente in natura. Il diamante ha una resistenza all'usura estremamente elevata. Quando si lavorano materiali ad alta durezza, la durata degli utensili diamantati è da 10 a 100 volte superiore a quella degli utensili in carburo cementato, o addirittura fino a diverse centinaia di volte.
② Coefficiente di attrito molto basso: il coefficiente di attrito tra il diamante e alcuni metalli non ferrosi è inferiore a quello di altri utensili. Un basso coefficiente di attrito significa una minore deformazione durante la lavorazione, il che può ridurre la forza di taglio.
③ Tagliente molto affilato: il tagliente degli utensili diamantati può essere affilato in modo molto netto. Gli utensili in diamante monocristallino naturale possono essere affilati fino a 0.002-0.008μm, in grado di eseguire tagli ultra sottili e lavorazioni ultra precise.
④ Conduttività termica molto elevata: il diamante ha un'elevata conduttività termica e diffusività termica, il calore di taglio è facile da dissipare e la temperatura della parte tagliente dell'utensile è bassa.
⑤ Basso coefficiente di dilatazione termica: il coefficiente di dilatazione termica del diamante è diverse volte inferiore a quello del metallo duro e la variazione delle dimensioni dell'utensile causata dal calore di taglio è molto piccola, il che è particolarmente importante per lavorazioni di precisione e ultra-precisione con elevati requisiti di accuratezza dimensionale.
(3) Applicazione degli utensili diamantati
Gli utensili diamantati sono usati principalmente per il taglio fine e la foratura di metalli non ferrosi e materiali non metallici ad alta velocità. Adatti per la lavorazione di vari non metalli resistenti all'usura, come grezzi di metallurgia delle polveri di plastica rinforzata con fibra di vetro, materiali ceramici, ecc.; vari metalli non ferrosi resistenti all'usura, come varie leghe di alluminio al silicio; varie finiture di metalli non ferrosi.
Lo svantaggio degli utensili diamantati è che hanno una scarsa stabilità termica. Quando la temperatura di taglio supera i 700 gradi ~800 gradi, perdono completamente la loro durezza; inoltre, non sono adatti per tagliare metalli ferrosi, perché il diamante (carbonio) reagisce facilmente con gli atomi di ferro ad alte temperature, convertendo gli atomi di carbonio in strutture di grafite e gli utensili si danneggiano facilmente.
2. Tipi, proprietà e caratteristiche dei materiali degli utensili in nitruro di boro cubico e applicazioni degli utensili
Il nitruro di boro cubico (CBN), un secondo materiale superduro sintetizzato con un metodo simile al metodo di produzione del diamante, è secondo solo al diamante in durezza e conduttività termica. Ha un'eccellente stabilità termica e non si ossida se riscaldato a 10,000 gradi nell'atmosfera. Il CBN ha proprietà chimiche estremamente stabili per i metalli ferrosi e può essere ampiamente utilizzato nella lavorazione di prodotti in acciaio.
(1) Tipi di utensili in nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico (CBN) è una sostanza che non esiste in natura. Può essere suddiviso in monocristallino e policristallino, vale a dire CBN monocristallino e nitruro di boro cubico policristallino (in breve PCBN). Il CBN è uno degli allotropi del nitruro di boro (BN) e ha una struttura simile al diamante.
Il PCBN (nitruro di boro cubico policristallino) è un materiale policristallino che si ottiene sinterizzando insieme materiali CBN fini tramite una fase legante (TiC, TiN, Al, Ti, ecc.) ad alta temperatura e alta pressione. Attualmente è il materiale per utensili con la durezza seconda solo al diamante che viene sintetizzato artificialmente. Esso e il diamante sono collettivamente definiti materiali per utensili superduri. Il PCBN è utilizzato principalmente per realizzare utensili o altri utensili.
Gli utensili in PCBN possono essere suddivisi in lame in PCBN integrali e lame composite in PCBN sinterizzate con carburo cementato.
Le lame composite in PCBN sono realizzate sinterizzando uno strato di PCBN spesso {{0}}.5-1.0mm su un carburo cementato con buona resistenza e tenacità. Le sue prestazioni combinano una buona tenacità con elevata durezza e resistenza all'usura. Risolve i problemi di bassa resistenza alla flessione e di difficile saldatura delle lame in CBN.
(2) Principali proprietà e caratteristiche del nitruro di boro cubico
Sebbene la durezza del nitruro di boro cubico sia leggermente inferiore a quella del diamante, è molto più elevata rispetto ad altri materiali ad alta durezza. Il vantaggio eccezionale del CBN è che la sua stabilità termica è molto più elevata di quella del diamante, che può raggiungere oltre 1200 gradi (il diamante è di 700-800 gradi). Un altro vantaggio eccezionale è che è chimicamente inerte e non reagisce chimicamente con il ferro a 1200-1300 gradi. Le principali caratteristiche prestazionali del nitruro di boro cubico sono le seguenti.
① Elevata durezza e resistenza all'usura: la struttura cristallina del CBN è simile a quella del diamante e ha una durezza e una resistenza simili al diamante. Il PCBN è particolarmente adatto per la lavorazione di materiali ad alta durezza che prima potevano essere solo macinati e può ottenere una migliore qualità della superficie del pezzo.
② Elevata stabilità termica: la resistenza al calore del CBN può raggiungere 1400-1500 gradi, ovvero quasi 1 volta superiore a quella del diamante (700-800 gradi). Gli utensili in PCBN possono tagliare leghe ad alta temperatura e acciaio temprato a una velocità 3-5 volte superiore a quella degli utensili in metallo duro.
③ Eccellente stabilità chimica: non reagisce chimicamente con materiali di ferro a 1200-1300 grado e non si usura in modo così netto come il diamante. In questo momento, può ancora mantenere la durezza del carburo; gli utensili PCBN sono adatti per il taglio di parti in acciaio temprato e ghisa raffreddata e possono essere ampiamente utilizzati nel taglio ad alta velocità della ghisa.
④ Buona conduttività termica: sebbene la conduttività termica del CBN non possa raggiungere quella del diamante, tra tutti i tipi di materiali per utensili, la conduttività termica del PCBN è seconda solo al diamante ed è molto più elevata dell'acciaio rapido e del carburo.
⑤ Basso coefficiente di attrito: un basso coefficiente di attrito può comportare una riduzione della forza di taglio, una temperatura di taglio più bassa e una migliore qualità della superficie durante il taglio.
(3) Applicazione di utensili in nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico è adatto per la finitura di vari materiali difficili da tagliare, come acciaio temprato, ghisa dura, lega ad alta temperatura, carburo cementato, materiali per spruzzatura superficiale, ecc. La precisione di lavorazione può raggiungere IT5 (IT6 per i fori) e il valore di rugosità superficiale può essere piccolo quanto Ra1,25~0.20μm.
I materiali per utensili in nitruro di boro cubico hanno scarsa tenacità e resistenza alla flessione. Pertanto, gli utensili per tornitura in nitruro di boro cubico non sono adatti per lavorazioni di sgrossatura a bassa velocità e con elevato carico d'impatto; allo stesso tempo, non sono adatti per tagliare materiali con elevata plasticità (come lega di alluminio, lega di rame, lega a base di nichel, acciaio con elevata plasticità, ecc.), perché durante il taglio di questi metalli, verrà generato un serio tagliente di riporto, che deteriorerà la superficie lavorata.
3. Tipi, proprietà e caratteristiche dei materiali degli utensili ceramici e applicazioni degli utensili
Gli utensili in ceramica hanno le caratteristiche di elevata durezza, buona resistenza all'usura, eccellente resistenza al calore e stabilità chimica e non sono facili da legare ai metalli. Gli utensili in ceramica occupano una posizione molto importante nella lavorazione CNC. Gli utensili in ceramica sono diventati uno degli utensili principali per il taglio ad alta velocità e materiali difficili da lavorare. Gli utensili in ceramica sono ampiamente utilizzati nel taglio ad alta velocità, nel taglio a secco, nel taglio duro e nel taglio di materiali difficili da lavorare. Gli utensili in ceramica possono elaborare in modo efficiente materiali molto duri che gli utensili tradizionali non possono elaborare affatto, realizzando "tornitura anziché rettifica"; la velocità di taglio ottimale degli utensili in ceramica può essere da 2 a 10 volte superiore a quella degli utensili in carburo cementato, migliorando così notevolmente l'efficienza della produzione di taglio; le principali materie prime utilizzate nei materiali degli utensili in ceramica sono gli elementi più abbondanti nella crosta terrestre. Pertanto, la promozione e l'applicazione di utensili in ceramica è di grande importanza per migliorare la produttività, ridurre i costi di lavorazione e risparmiare metalli preziosi strategici e promuoverà inoltre notevolmente l'avanzamento della tecnologia di taglio.
(1) Tipi di materiali per utensili ceramici
I materiali per utensili ceramici possono essere generalmente suddivisi in tre categorie: ceramiche a base di allumina, ceramiche a base di nitruro di silicio e ceramiche composite a base di nitruro di silicio-allumina. Tra queste, i materiali per utensili ceramici a base di allumina e nitruro di silicio sono i più ampiamente utilizzati. Le prestazioni delle ceramiche a base di nitruro di silicio sono superiori a quelle delle ceramiche a base di allumina.
(2) Prestazioni e caratteristiche degli utensili ceramici
Le caratteristiche prestazionali degli utensili in ceramica sono le seguenti:
① Elevata durezza e buona resistenza all'usura: sebbene la durezza degli utensili in ceramica non sia elevata come quella del PCD e del PCBN, è molto più elevata di quella degli utensili in metallo duro e acciaio rapido, raggiungendo 93~95HRA. Gli utensili in ceramica possono elaborare materiali ad alta durezza difficili da elaborare con utensili tradizionali e sono adatti per il taglio ad alta velocità e il taglio duro.
② Resistenza alle alte temperature e buona resistenza al calore: gli utensili in ceramica possono ancora tagliare a temperature elevate superiori a 1200 gradi. Gli utensili in ceramica hanno eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura. Gli utensili in ceramica Al2O3 hanno una resistenza all'ossidazione particolarmente buona. Il tagliente può essere utilizzato ininterrottamente anche in uno stato rovente. Pertanto, gli utensili in ceramica possono ottenere un taglio a secco, eliminando così la necessità di fluido da taglio.
③ Buona stabilità chimica: gli utensili in ceramica non si legano facilmente ai metalli, sono resistenti alla corrosione e chimicamente stabili, il che può ridurre l'usura da legame degli utensili.
④ Basso coefficiente di attrito: gli utensili in ceramica hanno una bassa affinità con i metalli e un basso coefficiente di attrito, il che può ridurre la forza di taglio e la temperatura di taglio.
(3) Applicazioni degli utensili ceramici
La ceramica è uno dei materiali per utensili principalmente utilizzati per la finitura ad alta velocità e la semi-finitura. Gli utensili in ceramica sono adatti per tagliare varie ghise (ghisa grigia, ghisa duttile, ghisa malleabile, ghisa temprata, ghisa resistente all'usura ad alta lega) e acciai (acciaio strutturale al carbonio, acciaio strutturale legato, acciaio ad alta resistenza, acciaio ad alto contenuto di manganese, acciaio temprato, ecc.) e possono anche essere utilizzati per tagliare leghe di rame, grafite, materie plastiche tecniche e materiali compositi.
I materiali per utensili in ceramica presentano il problema della scarsa resistenza alla flessione e della scarsa tenacità agli urti e non sono adatti al taglio a bassa velocità e con carichi d'urto bassi.
4. Prestazioni e caratteristiche dei materiali degli utensili rivestiti e applicazione degli utensili
Il rivestimento degli utensili è uno dei modi più importanti per migliorare le prestazioni degli utensili. L'emergere degli utensili rivestiti ha rappresentato una svolta importante nelle prestazioni di taglio degli utensili. Gli utensili rivestiti sono realizzati rivestendo uno o più strati di composti refrattari con buona resistenza all'usura su un corpo utensile resistente. Combinano il substrato dell'utensile con un rivestimento duro, migliorando così notevolmente le prestazioni dell'utensile. Gli utensili rivestiti possono migliorare l'efficienza di lavorazione, migliorare la precisione di lavorazione, prolungare la durata dell'utensile e ridurre i costi di lavorazione.
Circa l'80% degli utensili da taglio utilizzati nelle nuove macchine utensili CNC utilizzano utensili rivestiti. Gli utensili rivestiti saranno la varietà di utensili più importante nel campo della lavorazione CNC in futuro.
(1) Tipi di utensili rivestiti
A seconda del metodo di rivestimento, gli utensili rivestiti possono essere suddivisi in utensili rivestiti con deposizione chimica da vapore (CVD) e utensili rivestiti con deposizione fisica da vapore (PVD). Gli utensili in carburo rivestiti generalmente utilizzano la deposizione chimica da vapore e la temperatura di deposizione è di circa 1000 gradi. Gli utensili in acciaio rapido rivestiti generalmente utilizzano la deposizione fisica da vapore e la temperatura di deposizione è di circa 500 gradi.
In base ai diversi materiali di base degli utensili rivestiti, questi ultimi possono essere suddivisi in utensili rivestiti in metallo duro, utensili rivestiti in acciaio rapido e utensili rivestiti in ceramica e materiali superduri (diamante e nitruro di boro cubico).
In base alle proprietà dei materiali di rivestimento, gli utensili rivestiti possono essere suddivisi in due categorie, ovvero utensili rivestiti "duri" e utensili rivestiti "morbidi". L'obiettivo principale degli utensili rivestiti "duri" è l'elevata durezza e resistenza all'usura. I suoi principali vantaggi sono l'elevata durezza e la buona resistenza all'usura. Quelli tipici sono i rivestimenti TiC e TiN. L'obiettivo degli utensili rivestiti "morbidi" è il basso coefficiente di attrito, noto anche come utensili autolubrificanti. Il suo coefficiente di attrito con il materiale del pezzo è molto basso, solo circa 0.1, il che può ridurre l'aderenza, ridurre l'attrito e ridurre la forza di taglio e la temperatura di taglio.
Di recente sono stati sviluppati utensili nano-rivestiti. Questo tipo di utensile rivestito può utilizzare diverse combinazioni di vari materiali di rivestimento (come metallo/metallo, metallo/ceramica, ceramica/ceramica, ecc.) per soddisfare diversi requisiti funzionali e prestazionali. I nano-rivestimenti ragionevolmente progettati possono conferire ai materiali degli utensili eccellenti funzioni anti-attrito e anti-usura e proprietà autolubrificanti, adatte al taglio a secco ad alta velocità.
(2) Caratteristiche degli utensili rivestiti
Le caratteristiche prestazionali degli utensili rivestiti sono le seguenti:
① Buone prestazioni meccaniche e di taglio: gli utensili rivestiti combinano le eccellenti proprietà del materiale di base e del materiale di rivestimento, mantenendo la buona tenacità e l'elevata resistenza del materiale di base, pur avendo anche l'elevata durezza, l'elevata resistenza all'usura e il basso coefficiente di attrito del rivestimento. Pertanto, la velocità di taglio degli utensili rivestiti può essere aumentata di oltre 2 volte rispetto agli utensili non rivestiti e viene consentita una maggiore velocità di avanzamento. Anche la durata degli utensili rivestiti è migliorata.
② Forte versatilità: gli utensili rivestiti hanno un'ampia versatilità e ampliano notevolmente la gamma di lavorazione. Un utensile rivestito può sostituire diversi utensili non rivestiti.
③ Spessore del rivestimento: la durata dell'utensile aumenterà con l'aumento dello spessore del rivestimento, ma quando lo spessore del rivestimento raggiunge la saturazione, la durata dell'utensile non aumenterà più in modo significativo. Quando il rivestimento è troppo spesso, è facile causare la desquamazione; quando il rivestimento è troppo sottile, la resistenza all'usura è scarsa.
④ Riaffilatura: la riaffilatura delle lame rivestite è scadente, l'attrezzatura di rivestimento è complessa, i requisiti di processo sono elevati e il tempo di rivestimento è lungo.
⑤ Materiale di rivestimento: utensili con materiali di rivestimento diversi hanno prestazioni di taglio diverse. Ad esempio: il rivestimento TiC ha un vantaggio nel taglio a bassa velocità; il TiN è più adatto per il taglio ad alta velocità.
(3) Applicazione di utensili rivestiti
Gli utensili rivestiti hanno un grande potenziale nel campo della lavorazione CNC e saranno il tipo di utensile più importante nel campo della lavorazione CNC in futuro. La tecnologia di rivestimento è stata applicata a frese, alesatori, punte, utensili per lavorazione di fori composti, creatori per ingranaggi, frese per la sagomatura di ingranaggi, frese per la rasatura di ingranaggi, brocce di formatura e vari inserti indicizzabili montati su macchina per soddisfare le esigenze di taglio ad alta velocità di vari acciai e ghise, leghe resistenti al calore e metalli non ferrosi.
5. Tipi, proprietà, caratteristiche e applicazioni dei materiali per utensili in metallo duro
Gli utensili in carburo cementato, in particolare gli utensili in carburo cementato indicizzabili, sono i prodotti leader degli utensili per lavorazioni CNC. Dagli anni '80, vari tipi di utensili o lame in carburo cementato integrali e indicizzabili sono stati estesi a vari campi di utensili da taglio. Tra questi, gli utensili in carburo cementato indicizzabili si sono espansi da semplici utensili di tornitura e frese frontali a vari campi di utensili di precisione, complessi e di formatura.
(1) Tipi di utensili in metallo duro
In base alla composizione chimica principale, il carburo cementato può essere suddiviso in carburo cementato a base di carburo di tungsteno e carburo cementato a base di carburo di titanio (nitruro) (TiC(N)).
Il carburo cementato a base di carburo di tungsteno comprende tre tipi: tipo tungsteno-cobalto (YG), tipo tungsteno-cobalto-titanio (YT) e tipo con aggiunta di carburo raro (YW). Ognuno di essi ha i propri vantaggi e svantaggi. I componenti principali sono carburo di tungsteno (WC), carburo di titanio (TiC), carburo di tantalio (TaC), carburo di niobio (NbC), ecc. La fase legante metallica comunemente utilizzata è Co.
Il carburo cementato a base di carburo (nitruro) di titanio è un carburo cementato con TiC come componente principale (alcuni hanno altri carburi o nitruri aggiunti) e le fasi leganti metalliche comunemente utilizzate sono Mo e Ni.
L'ISO (Organizzazione Internazionale per la Normazione) suddivide il taglio del metallo duro in tre categorie:
Categoria K, inclusi Kl0~K40, equivalenti alla categoria YG del mio paese (il componente principale è WC-Co).
Categoria P, inclusi P01~P50, equivalente alla categoria YT del mio paese (il componente principale è WC-TiC-Co).
Categoria M, inclusi M10~M40, equivalente alla categoria YW del mio paese (il componente principale è WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Ogni marchio è rappresentato da un numero compreso tra 01 e 50 per rappresentare una serie di leghe che vanno da un'elevata durezza alla massima tenacità.
(2) Caratteristiche prestazionali degli utensili in metallo duro
Le caratteristiche prestazionali degli utensili in metallo duro sono le seguenti:
① Elevata durezza: gli utensili in metallo duro sono realizzati in carburi (chiamati fase dura) con elevata durezza e punto di fusione e legante metallico (chiamato fase legante) tramite metallurgia delle polveri. La loro durezza raggiunge 89-93HRA, che è molto più alta dell'acciaio rapido. A 5400 gradi, la durezza può ancora raggiungere 82-87HRA, che è la stessa della durezza dell'acciaio rapido a temperatura ambiente (83-86HRA). Il valore di durezza del metallo duro varia a seconda della natura, della quantità, della dimensione delle particelle e del contenuto di fase legante metallica dei carburi e generalmente diminuisce con l'aumento del contenuto di fase legante metallica. Quando il contenuto di fase legante è lo stesso, la durezza della lega YT è superiore a quella della lega YG e la lega con TaC (NbC) aggiunto ha una durezza ad alta temperatura maggiore.
② Resistenza alla flessione e tenacità: la resistenza alla flessione del carburo cementato comunemente utilizzato è nell'intervallo di 900-1500 MPa. Maggiore è il contenuto di fase legante metallica, maggiore è la resistenza alla flessione. A parità di contenuto di legante, la resistenza della lega di tipo YG (WC-Co) è maggiore di quella della lega di tipo YT (WC-TiC-Co) e la resistenza diminuisce con l'aumento del contenuto di TiC. Il carburo cementato è un materiale fragile e la sua tenacità all'impatto a temperatura ambiente è solo da 1/30 a 1/8 di quella dell'acciaio rapido.
(3) Applicazione di utensili in carburo cementato comunemente utilizzati
Le leghe di tipo YG sono utilizzate principalmente per la lavorazione di ghisa, metalli non ferrosi e materiali non metallici. Il carburo cementato a grana fine (come YG3X, YG6X) ha una durezza e una resistenza all'usura maggiori rispetto a quelli a grana media, a parità di contenuto di cobalto. È adatto per la lavorazione di alcune ghise dure speciali, acciaio inossidabile austenitico, lega resistente al calore, lega di titanio, bronzo duro e materiali isolanti resistenti all'usura.
I vantaggi eccezionali del carburo cementato di tipo YT sono elevata durezza, buona resistenza al calore, maggiore durezza e resistenza alla compressione ad alta temperatura rispetto al tipo YG e buona resistenza all'ossidazione. Pertanto, quando è richiesta una maggiore resistenza al calore e all'usura, si dovrebbe selezionare un grado con un contenuto di TiC più elevato. Le leghe YT sono adatte per la lavorazione di materiali plastici come l'acciaio, ma non per la lavorazione di leghe di titanio e leghe di silicio e alluminio.
Le leghe YW hanno le proprietà delle leghe YG e YT e hanno buone proprietà complete. Possono essere utilizzate per lavorare acciaio, ghisa e metalli non ferrosi. Se il contenuto di cobalto di questo tipo di lega viene opportunamente aumentato, la resistenza può essere molto elevata e può essere utilizzata per la lavorazione grossolana e il taglio intermittente di vari materiali difficili da lavorare.
6. Tipi, caratteristiche e applicazioni degli utensili in acciaio rapido
L'acciaio rapido (HSS) è un acciaio per utensili ad alta lega con una grande quantità di elementi di lega come W, Mo, Cr e V. Gli utensili in acciaio rapido hanno eccellenti prestazioni complete in termini di resistenza, tenacità e lavorabilità. L'acciaio rapido occupa ancora una posizione importante negli utensili complessi, in particolare nella produzione di utensili per la lavorazione dei fori, frese, utensili per filettatura, brocce, utensili per il taglio degli ingranaggi e altri utensili con forme di lama complesse. Gli utensili in acciaio rapido sono facili da affilare sul tagliente.
A seconda dei diversi utilizzi, l'acciaio rapido può essere suddiviso in acciaio rapido per uso generale e acciaio rapido ad alte prestazioni.
(1) Utensili in acciaio rapido per uso generale
Acciaio rapido per uso generico. In genere, può essere suddiviso in due categorie: acciaio al tungsteno e acciaio al tungsteno-molibdeno. Questo tipo di acciaio rapido contiene dal 0,7% al 0,9% di tungsteno. In base al diverso contenuto di tungsteno nell'acciaio, può essere suddiviso in acciaio al tungsteno contenente il 12% o il 18% di W, acciaio al tungsteno-molibdeno contenente il 6% o l'8% di W e acciaio al molibdeno contenente il 2% o nessun W. L'acciaio rapido per uso generico ha una certa durezza (63-66HRC) e resistenza all'usura, elevata resistenza e tenacità, buona plasticità e tecnologia di lavorazione, quindi è ampiamente utilizzato nella fabbricazione di vari utensili complessi.
① Acciaio al tungsteno: il grado tipico di acciaio al tungsteno ad alta velocità per uso generale è W18Cr4V (abbreviato come W18), che ha buone prestazioni complete. La durezza ad alta temperatura a 6000 gradi è 48,5 HRC, che può essere utilizzata per produrre vari utensili complessi. Ha i vantaggi di una buona rettificabilità e bassa sensibilità alla decarburazione, ma a causa dell'elevato contenuto di carburo, distribuzione irregolare, particelle grandi, bassa resistenza e tenacità.
② Acciaio al tungsteno-molibdeno: si riferisce a un acciaio rapido ottenuto sostituendo parte del tungsteno nell'acciaio al tungsteno con molibdeno. Il grado tipico di acciaio al tungsteno-molibdeno è W6Mo5Cr4V2 (abbreviato come M2). Le particelle di carburo di M2 sono fini e uniformi e la sua resistenza, tenacità e plasticità ad alta temperatura sono migliori di W18Cr4V. Un altro acciaio al tungsteno-molibdeno è W9Mo3Cr4V (abbreviato come W9), che ha una stabilità termica leggermente superiore all'acciaio M2, una migliore resistenza alla flessione e tenacità rispetto a W6M05Cr4V2 e ha una buona lavorabilità.
(2) Utensili in acciaio rapido ad alte prestazioni
L'acciaio rapido ad alte prestazioni si riferisce a un nuovo tipo di acciaio che aggiunge un po' di contenuto di carbonio, contenuto di vanadio ed elementi di lega come Co e Al alla composizione generale dell'acciaio rapido, migliorandone così la resistenza al calore e all'usura. Esistono principalmente le seguenti categorie:
① Acciaio rapido ad alto tenore di carbonio. L'acciaio rapido ad alto tenore di carbonio (come 95W18Cr4V) ha un'elevata durezza a temperatura ambiente e ad alta temperatura. È adatto per la produzione di utensili per la lavorazione di acciaio comune e ghisa, trapani, alesatori, maschi e frese con elevati requisiti di resistenza all'usura o per la lavorazione di materiali più duri. Non è adatto per grandi impatti.
② Acciaio rapido ad alto tenore di vanadio. I gradi tipici, come W12Cr4V4Mo (abbreviato come EV4), contengono il 3%~5% di V, hanno una buona resistenza all'usura e sono adatti per tagliare materiali estremamente soggetti a usura per utensili, come fibre, gomma dura, plastica, ecc. Può anche essere utilizzato per lavorare acciaio inossidabile, acciaio ad alta resistenza e leghe ad alta temperatura.
③ Acciaio rapido al cobalto. È un acciaio rapido super duro contenente cobalto. I gradi tipici, come W2Mo9Cr4VCo8 (abbreviato come M42), hanno un'elevata durezza e la sua durezza può raggiungere 69~70HRC. È adatto per la lavorazione di materiali difficili da lavorare come acciaio resistente al calore ad alta resistenza, leghe ad alta temperatura, leghe di titanio, ecc. M42 ha una buona rettificabilità ed è adatto per realizzare utensili di precisione e complessi, ma non è adatto per lavorare in condizioni di taglio a impatto.
④ Acciaio rapido in alluminio. È un acciaio rapido super duro contenente alluminio. I gradi tipici includono W6Mo5Cr4V2Al (abbreviato come 501). La sua durezza ad alta temperatura a 6000 gradi raggiunge anche 54HRC. Le sue prestazioni di taglio sono equivalenti a M42. È adatto per la produzione di frese, trapani, alesatori, frese per ingranaggi, brocce, ecc. Viene utilizzato per lavorare acciaio legato, acciaio inossidabile, acciaio ad alta resistenza e leghe ad alta temperatura.
⑤ Acciaio rapido superduro all'azoto. I gradi tipici includono W12M03Cr4V3N (abbreviato come (V3N). È un acciaio rapido superduro contenente azoto. La sua durezza, resistenza e tenacità sono equivalenti a M42. Può essere utilizzato come sostituto dell'acciaio rapido contenente cobalto ed è utilizzato per il taglio a bassa velocità di materiali difficili da lavorare e per lavorazioni ad alta precisione a bassa velocità.
(3) Fusione di acciaio rapido e metallurgia delle polveri di acciaio rapido
A seconda dei diversi processi di fabbricazione, l'acciaio rapido può essere suddiviso in acciaio rapido da fusione e acciaio rapido da metallurgia delle polveri.
① Fusione di acciaio rapido: l'acciaio rapido ordinario e l'acciaio rapido ad alte prestazioni sono entrambi prodotti con metodi di fusione. Vengono trasformati in utensili da taglio tramite processi quali fusione, fusione di lingotti, placcatura e laminazione. Un problema serio che si verifica facilmente durante la fusione di acciaio rapido è la segregazione del carburo. I carburi duri e fragili sono distribuiti in modo non uniforme nell'acciaio rapido e i grani sono grossolani (fino a decine di micron), il che ha un effetto negativo sulla resistenza all'usura, sulla tenacità e sulle prestazioni di taglio degli utensili in acciaio rapido.
② Acciaio rapido da metallurgia delle polveri (PM HSS): l'acciaio rapido da metallurgia delle polveri (PM HSS) è un acciaio liquido fuso in un forno a induzione ad alta frequenza, che viene atomizzato con argon ad alta pressione o azoto puro, quindi raffreddato rapidamente per ottenere una struttura cristallina fine e uniforme (polvere di acciaio rapido). La polvere risultante viene quindi pressata in un grezzo di coltello ad alta temperatura e alta pressione, o prima trasformata in un grezzo di acciaio e quindi forgiata e laminata in una forma di utensile. Rispetto all'acciaio rapido prodotto con il metodo di fusione, PM HSS ha i vantaggi di grani di carburo fini e uniformi e una resistenza, tenacità e resistenza all'usura molto più elevate rispetto alla fusione dell'acciaio rapido. Nel campo degli utensili CNC complessi, gli utensili PM HSS si svilupperanno ulteriormente e occuperanno una posizione importante. I gradi tipici, come F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, ecc., possono essere utilizzati per produrre utensili da taglio di grandi dimensioni, ad alto carico e ad alto impatto, e possono anche essere utilizzati per produrre utensili da taglio di precisione.
Principi per la selezione dei materiali degli utensili CNC
Attualmente, i materiali per utensili CNC ampiamente utilizzati includono principalmente utensili diamantati, utensili in nitruro di boro cubico, utensili in ceramica, utensili rivestiti, utensili in carburo e utensili in acciaio rapido. Esistono molti gradi di materiali per utensili e le loro prestazioni variano notevolmente. I principali indicatori di prestazione di vari materiali per utensili sono mostrati nella seguente tabella.
I materiali degli utensili per la lavorazione CNC devono essere selezionati in base al pezzo in lavorazione e alla natura della lavorazione. La selezione dei materiali degli utensili deve essere ragionevolmente abbinata all'oggetto di lavorazione. L'abbinamento dei materiali degli utensili da taglio e degli oggetti di lavorazione si riferisce principalmente all'abbinamento delle proprietà meccaniche, fisiche e chimiche dei due per ottenere la massima durata dell'utensile e la massima produttività di taglio.
1. Corrispondenza delle proprietà meccaniche dei materiali degli utensili da taglio e degli oggetti di lavorazione
Il problema dell'abbinamento delle proprietà meccaniche degli utensili da taglio e degli oggetti di lavorazione si riferisce principalmente all'abbinamento dei parametri delle proprietà meccaniche quali resistenza, tenacità e durezza dei materiali dell'utensile e del pezzo in lavorazione. I materiali dell'utensile con diverse proprietà meccaniche sono adatti per la lavorazione di diversi materiali del pezzo in lavorazione.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>acciaio rapido.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>utensile in diamante e nitruro di boro cubico.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>utensili in nitruro di boro cubico, diamante e ceramica.
I materiali del pezzo in lavorazione ad alta durezza devono essere lavorati con utensili di durezza superiore. La durezza del materiale dell'utensile deve essere superiore a quella del materiale del pezzo in lavorazione, generalmente richiesta superiore a 60HRC. Maggiore è la durezza del materiale dell'utensile, migliore è la sua resistenza all'usura. Ad esempio, quando il contenuto di cobalto nel carburo cementato aumenta, la sua resistenza e tenacità aumentano e la sua durezza diminuisce, il che è adatto per la lavorazione grossolana; quando il contenuto di cobalto diminuisce, la sua durezza e resistenza all'usura aumentano, il che è adatto per la lavorazione fine.
Gli utensili con eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura sono particolarmente adatti per il taglio ad alta velocità. Le eccellenti prestazioni ad alta temperatura degli utensili ceramici consentono loro di tagliare ad alta velocità e la velocità di taglio consentita può essere aumentata da 2 a 10 volte rispetto al carburo cementato.
2. Abbinamento delle proprietà fisiche dei materiali degli utensili da taglio con gli oggetti di lavorazione
Utensili con diverse proprietà fisiche, come utensili in acciaio rapido con elevata conduttività termica e basso punto di fusione, utensili in ceramica con elevato punto di fusione e bassa dilatazione termica, utensili diamantati con elevata conduttività termica e bassa dilatazione termica, ecc., sono adatti per la lavorazione di diversi materiali del pezzo. Quando si lavora pezzi con scarsa conduttività termica, si dovrebbero usare materiali per utensili con migliore conduttività termica per consentire al calore di taglio di essere trasferito rapidamente e ridurre la temperatura di taglio. Il diamante ha elevata conduttività termica e diffusività termica, quindi il calore di taglio può essere facilmente dissipato senza causare grandi deformazioni termiche, il che è particolarmente importante per utensili di lavorazione di precisione con elevati requisiti di accuratezza dimensionale.
① Temperatura di resistenza al calore di vari materiali per utensili: 700-8000 gradi per utensili diamantati, 13000-15000 gradi per utensili PCBN, 1100-12000 gradi per utensili ceramici, 900-11000 gradi per carburo cementato a base di TiC(N), 800-9000 gradi per carburo cementato a grana ultrafine a base di WC e 600-7000 gradi per 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>Ceramica a base di Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Ceramica a base di Al2O3-.
3. Corrispondenza delle prestazioni chimiche dei materiali degli utensili da taglio e degli oggetti di lavorazione
Il problema di corrispondenza delle prestazioni chimiche dei materiali degli utensili da taglio e degli oggetti di lavorazione si riferisce principalmente ai parametri delle prestazioni chimiche quali affinità chimica, reazione chimica, diffusione e dissoluzione dei materiali degli utensili e dei materiali del pezzo in lavorazione. Utensili di materiali diversi sono adatti per la lavorazione di materiali diversi del pezzo in lavorazione.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>Acciaio ad alta velocità.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>Acciaio ad alta velocità.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>diamante.
4. Selezione ragionevole dei materiali degli utensili CNC
In generale, PCBN, utensili ceramici, utensili in carburo rivestito e utensili in carburo a base di TiCN sono adatti per la lavorazione CNC di metalli ferrosi come l'acciaio; mentre gli utensili in PCD sono adatti per la lavorazione di materiali metallici non ferrosi come Al, Mg, Cu e le loro leghe e materiali non metallici. La seguente tabella mostra alcuni materiali del pezzo adatti per la lavorazione con vari materiali per utensili.