Corte de chapa: Técnicas, herramientas y buenas prácticas
¿Alguna vez ha visto cómo una chapa se convierte en una precisa pieza de máquina? Todo empieza con el corte. Desde las cizallas de la vieja escuela hasta...
Los materiales de las herramientas se refieren principalmente a los materiales de la parte de corte de la herramienta. Su rendimiento es un factor crucial que afecta a la calidad del mecanizado, la eficacia del corte y la vida útil de la herramienta. La aplicación razonable de nuevos materiales para herramientas no sólo puede mejorar eficazmente la productividad, la calidad del mecanizado y los beneficios económicos, sino que a menudo es el proceso clave para el mecanizado de algunos materiales difíciles de mecanizar.
I. Requisitos de rendimiento de los materiales de las herramientas
1. Alta dureza
Las herramientas necesitan eliminar la capa de metal de la pieza de trabajo, por lo que la dureza del material de la herramienta debe ser mayor que la del material de la pieza de trabajo. Por lo general, la dureza a temperatura ambiente de los materiales de las herramientas debe ser superior a 60HRC.
2. Alta resistencia al desgaste
Los materiales de las herramientas deben tener una alta resistencia al desgaste para resistir el desgaste de la pieza y las virutas. Este rendimiento depende de la dureza del material de la herramienta y de su composición química y microestructura.
Cuanto mayor sea la dureza del material de la herramienta, mejor será la resistencia al desgaste; cuantos más carburos de aleación resistentes al desgaste haya en el material de la herramienta, cuanto más finos y uniformemente distribuidos estén los granos, mejor será la resistencia al desgaste.
3. Fuerza y resistencia suficientes
Durante el corte, la herramienta está sometida a diversas tensiones, impactos y vibraciones. Para evitar el astillado y la rotura, el material de la herramienta debe tener suficiente resistencia y tenacidad.
4. Alta resistencia al calor
La resistencia al calor se refiere a la capacidad del material de la herramienta para mantener su dureza, resistencia y tenacidad a temperatura ambiente en condiciones de alta temperatura. También puede expresarse como dureza en caliente o dureza a alta temperatura. Cuanto mejor sea la resistencia al calor, mayor será la resistencia admisible. velocidad de corte en el mecanizado. Es un indicador clave del rendimiento del material de la herramienta.
5. Buena trabajabilidad
Para facilitar la fabricación, los materiales de las herramientas deben tener una buena trabajabilidad, como mecanizabilidad, rectificabilidad, forjabilidad, soldabilidad y propiedades de tratamiento térmico. Además, deben utilizarse en la medida de lo posible materiales para herramientas abundantes en recursos y de bajo coste.
II. Tipos de materiales de las herramientas
Los materiales para herramientas incluyen principalmente acero para herramientas (acero para herramientas no aleado y acero para herramientas aleado), acero rápido, carburo cementado, materiales cerámicos y materiales para herramientas superduros. Sus principales propiedades físicas y mecánicas se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Propiedades físicas y mecánicas de diversos materiales para herramientas
| Tipos de material | Dureza del material | Resistencia a la flexión del material /GPa | Resistencia al impacto del material /(kJ/m2) | Conductividad térmica del material /[W/(m-K1)] | Resistencia térmica del material /℃ | |
| Acero no aleado para herramientas | 60~65HRC 81,2~83,9HRA | 2.45~2.74 | 67.2 | 200~250 | ||
| Acero rápido para herramientas | 63~70HRC 83~86.6HRA | 1.96~5.88 | 98~588 | 1.67~25 | 600~700 | |
| Acero aleado para herramientas | 63~66HRC | 2.4 | 41.8 | 300~400 | ||
| Dureza Aleación | YG6 | 89.5HRA | 1.45 | 30 | 79.6 | 900 |
| YT14 | 90,5HRA | 1.2 | 7 | 33.5 | 900 | |
| Cerámica | Al2O3 AM | >91HRA | 0.45~0.55 | 5 | 19.2 | 1200 |
| Al2O3+T1C T8 | 93~94HRA | 0.55~0.65 | ||||
| Si3N4 SM | 91~93HRA | 0.75~0.85 | 4 | 38.2 | 1300 | |
| Diamante | Diamante natural | 10000HV | 0.21~0.49 | 146.5 | 700~800 | |
| Diamante policristalino Cuchilla de material compuesto | 6500～8000HV | 2.8 | 100～108.7 | 700~800 | ||
| Nitruro de boro cúbico | Cuerpo sinterizado | 6000～8000HV | 1.0 | 41.8 | 1000~1200 | |
| Nitruro de boro cúbico Pala compuesta FD | ≥5000HV | 1.5 | >1000 | |||
1. Acero rápido para herramientas
El nombre completo del acero rápido para herramientas es acero aleado rápido para herramientas, también conocido como acero blanco o acero afilado.
El acero rápido para herramientas es un acero para herramientas de alta aleación con una gran cantidad de elementos de aleación como W, Mo, Cr y V añadidos al acero aleado para herramientas. Estos elementos de aleación forman carburos de alta dureza con el carbono, lo que confiere al acero rápido para herramientas una excelente resistencia al desgaste.
Los átomos de wolframio y los átomos de carbono tienen una fuerte fuerza de enlace, lo que aumenta la dureza a alta temperatura del acero. El papel del molibdeno es básicamente el mismo que el del wolframio, y puede refinar los granos de carburos, reducir la desigualdad de los carburos en el acero y mejorar la tenacidad del acero.
El acero rápido para herramientas es un material con un buen rendimiento general y la más amplia gama de aplicaciones. Tiene una gran resistencia a la flexión, buena tenacidad y una dureza de 63~66HRC tras el tratamiento térmico. Es fácil de afilar, por lo que a menudo se le denomina "acero afilado".
Su resistencia al calor es de 600~660℃, y la velocidad de corte puede alcanzar unos 30m/min al cortar materiales de acero al carbono. Tiene buena procesabilidad y se puede utilizar para fabricar herramientas con formas complejas, tales como brocas, machos, herramientas de conformado, brochas y herramientas de engranajes. También es adecuada para procesar diversos materiales, como acero al carbono, acero aleado, metales no ferrosos y hierro fundido.
El acero rápido para herramientas puede dividirse en acero rápido para herramientas ordinario y acero rápido para herramientas de alto rendimiento en función del rendimiento de corte.
(1) Acero rápido ordinario para herramientas
El acero para herramientas de alta velocidad ordinario puede dividirse en acero para herramientas de alta velocidad de la serie de tungsteno y acero para herramientas de alta velocidad de la serie de tungsteno-molibdeno.
El primer grado común de acero rápido para herramientas de la serie de tungsteno es W18Cr4V, que tiene un buen rendimiento general y capacidad de rectificado. Puede utilizarse para fabricar diversas herramientas complejas y herramientas de acabado. Sin embargo, como el tungsteno es un recurso estratégico importante y esta calidad contiene una alta proporción de tungsteno, su aplicación es ahora menos común y se ha ido eliminando gradualmente en algunos países desarrollados.
El grado común de acero para herramientas de alta velocidad de la serie tungsteno-molibdeno es W6Mo5Cr4V2, que tiene un buen rendimiento general. Debido al papel del molibdeno, sus carburos son partículas finas y distribuidas uniformemente, por lo que su resistencia a la flexión y tenacidad al impacto son superiores a las del acero para herramientas de alta velocidad de la serie de tungsteno. También tiene buena termoplasticidad, por lo que es adecuado para fabricar herramientas laminadas en caliente. Sin embargo, este material tiene una alta sensibilidad a la descarburación, un estrecho rango de temperaturas de temple y es difícil dominar el proceso de tratamiento térmico.
El W9Mo3Cr4V es un acero rápido para herramientas desarrollado independientemente por China. Su dureza, resistencia y termoplasticidad son ligeramente superiores a las del W6Mo5Cr4V2. Tiene buena dureza y tenacidad, y es fácil de laminar, forjar, tiene una amplia gama de temperaturas de tratamiento térmico, baja sensibilidad a la descarburación y menor coste.
(2) Acero rápido de alto rendimiento para herramientas
El acero rápido para herramientas de alto rendimiento es un nuevo tipo de acero rápido para herramientas que mejora el acero rápido para herramientas ordinario mediante el ajuste de la composición química y la adición de otros elementos de aleación. Este tipo de acero rápido para herramientas se utiliza principalmente para cortar materiales difíciles de mecanizar, como aleaciones de alta temperatura, aleaciones de titanio, acero de alta resistencia y acero inoxidable.
Existen varios tipos de acero rápido de alto rendimiento para herramientas:
1) Acero rápido para herramientas con alto contenido en carbono
La fracción másica de carbono se aumenta de 0,9% a 1,05%, lo que hace que todos los elementos de aleación del acero formen carburos, mejorando así la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor del acero, pero su resistencia y tenacidad disminuyen ligeramente. El grado típico es 95W18Cr4V.
2) Acero rápido para herramientas de alto vanadio
La fracción másica de vanadio aumenta de 3% a 5%, siendo la calidad típica W6Mo5Cr4V3. Debido al aumento del contenido de carburo de vanadio, se mejora la resistencia al desgaste del acero rápido para herramientas, y generalmente se utiliza para cortar acero de alta resistencia. Sin embargo, este tipo de acero rápido para herramientas es más difícil de rectificar que el acero rápido para herramientas ordinario.
3) Acero rápido para herramientas al cobalto
La adición de cobalto al acero rápido para herramientas mejora su dureza a altas temperaturas y su resistencia a la oxidación. El grado típico es W2Mo9Cr4VCo8, que tiene un buen rendimiento integral y es muy eficaz para el mecanizado de materiales difíciles de mecanizar, como aleaciones de alta temperatura y acero inoxidable.
4) Aluminio de acero rápido para herramientas
El acero rápido para herramientas de aluminio es un nuevo tipo de acero rápido para herramientas desarrollado exclusivamente en China. Mediante la adición de una pequeña cantidad de aluminio al acero de alta velocidad ordinario, se mejora la resistencia al calor y al desgaste del acero para herramientas de alta velocidad, y tiene un buen rendimiento integral.
La calidad típica es W6Mo5Cr4V2Al, que alcanza el rendimiento de corte del acero rápido para herramientas con cobalto, tiene buena maquinabilidad, es barato y su precio se aproxima al del acero rápido para herramientas ordinario. Sin embargo, es poco rectificable y requiere estrictos procesos de tratamiento térmico.
A medida que aumenta el uso de herramientas complejas de alta precisión, el coste de procesamiento representa una gran proporción del coste de la herramienta, mientras que el coste del material representa una proporción menor (15% a 30%). Por lo tanto, es económicamente razonable utilizar materiales para herramientas de alto rendimiento. Para máquinas-herramienta como los centros de mecanizado, donde los costes de cambio de herramienta son elevados, los materiales de herramienta de alto rendimiento deberían utilizarse aún más.
Los grados y las principales propiedades mecánicas de los aceros rápidos para herramientas antes mencionados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 Calidades y principales propiedades mecánicas del acero rápido
| Grado | Dureza a temperatura ambiente HRC | Resistencia a la flexión σw /GPa | Resistencia al impacto aK /(MJ/m) | Dureza a alta temperatura HRC | ||
| 500℃ | 600℃ | |||||
| W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 95W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2Co8 W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al | 63~66 63~66 66~68 65~67 66~68 67~69 67~69 67~69 | 3~3.4 3.5~4 3~3.4 3.2 3.0 2.7~3.8 2.9~3.9 3.1~3.5 | 0.18~0.32 0.3~0.4 0.17~0.22 0.25 0.3 0.23~0.3 0.23~0.3 0.2~0.28 | 56 55~56 57 - - ~60 60 59.5 | 48.5 47~48 51 51.7 54 ~55 55 54 | |
2. Aleación dura
La aleación dura es un producto pulvimetalúrgico fabricado sinterizando polvos de carburo de wolframio (WC) y carburo de titanio (TiC) como componentes principales, y cobalto (Co), molibdeno (Mo) y níquel (Ni) como aglutinantes en un horno de vacío o de reducción de hidrógeno.
La dureza de la aleación dura alcanza 89~94HRA, equivalente a 71~76HRC, con muy buena resistencia al desgaste. La resistencia al calor puede alcanzar 800~1000℃, y la velocidad de corte puede llegar a más de 100m/min al cortar acero de carbono medio. Sin embargo, su resistencia a la flexión y su tenacidad son inferiores a las del acero rápido, y su procesabilidad es ligeramente peor que la del acero rápido.
En la actualidad, la aleación dura se ha convertido en el principal material de herramienta en el procesamiento de corte, ampliamente utilizado en diversas herramientas con velocidades de corte más altas, e incluso en herramientas complejas, como fresas de aleación dura, fresas de mango, herramientas de mandrinado, brocas, escariadores, etc.
El rendimiento de una aleación dura depende principalmente del tipo, contenido y tamaño de las partículas de carburos metálicos, así como del tipo y contenido del aglutinante. En las aleaciones duras, una mayor proporción de carburos se traduce en una mayor dureza y una mejor resistencia al desgaste; un mayor contenido de aglutinante se traduce en una mayor resistencia a la flexión. Generalmente, la resistencia de las aleaciones duras de grano fino es menor que la de las aleaciones duras de grano grueso con la misma composición, mientras que la dureza es mayor que la de las aleaciones duras de grano grueso.
GB/T 18376.1-2008 clasifica las aleaciones duras para herramientas de corte en seis categorías: K, P, M, H, S y N, en función del material que se procesa. Para satisfacer los distintos requisitos de uso, se dividen en varios grupos según su resistencia al desgaste y tenacidad, representados por números de dos cifras como 01, 10, 20, 30, 40, etc.
La tabla 3 muestra la clasificación, agrupación y condiciones de trabajo recomendadas para las tres primeras categorías. La categoría H (H01~H30) se utiliza principalmente para procesar materiales de corte duros; la categoría S (S01~S30) se utiliza principalmente para procesar materiales de aleación resistentes al calor y de alta calidad; la categoría N (N01~N30) se utiliza principalmente para procesar metales no ferrosos y materiales no metálicos.
Tabla 3 Clasificación, agrupación y condiciones de trabajo recomendadas para aleaciones duras para procesos de corte
| Grupo | Condiciones de trabajo | Dirección de mejora del rendimiento | ||
| Material a procesar | Condiciones de transformación adecuadas | Rendimiento de corte | Rendimiento de la aleación | |
| K01 | Fundición, fundición enfriada, fundición maleable de viruta corta | Torneado, torneado de acabado, fresado, mandrinado, raspado | ← Velocidad de corte-velocidad de avance → | ← Resistencia al desgaste-Dureza → |
| K10 | Fundición con dureza Brinell superior a 220, fundición maleable de viruta corta | Torneado, fresado, mandrinado, raspado, brochado | ||
| K20 | Fundición gris con dureza Brinell inferior a 220, fundición maleable de viruta corta | Se utiliza para torneado, fresado, mandrinado, etc. en mecanizado de desbaste y semiacabado a velocidad de corte media y carga ligera. | ||
| K30 | Fundición, fundición maleable de viruta corta | Utilizadas para torneado, fresado, cepillado y ranurado en condiciones adversas, posiblemente con grandes ángulos de corte, que requieren tenacidad de la plaquita. Ciertos requisitos | ||
| K40 | Fundición, fundición maleable de viruta corta | Se utiliza para el mecanizado de desbaste en condiciones adversas, con menor velocidad de corte y gran avance | ||
| P01 | Acero, acero fundido | Alta velocidad de corte, pequeña sección de viruta, torneado de acabado y mandrinado sin vibraciones | ||
| P10 | Acero, acero fundido | Torneado, torneado de perfiles, roscado y fresado en condiciones de alta velocidad de corte y sección de viruta media a pequeña. | ||
| P20 | Acero, acero fundido, fundición maleable de viruta larga | Torneado, torneado de perfiles y fresado en condiciones de velocidad de corte media y sección de viruta media, cepillado con sección de viruta pequeña. | ||
| P30 | Acero, acero fundido, fundición maleable de viruta larga | Torneado, fresado, cepillado y mecanizado en condiciones adversas con velocidad de corte media o baja y sección de viruta media o grande. | ||
| P40 | Acero, acero fundido con agujeros de arena y poros | Torneado, cepillado, ranurado y mecanizado en máquinas automáticas a baja velocidad de corte, gran ángulo de corte, gran sección de viruta y condiciones adversas. | ||
| M01 | Acero inoxidable, acero ferrítico, acero moldeado | Alta velocidad de corte, poca carga, torneado fino y mandrinado fino sin vibraciones | ||
| M10 | Acero inoxidable, acero fundido, acero al manganeso, acero aleado, fundición aleada, fundición maleable | Torneado en condiciones de velocidad de corte media o alta, sección de viruta media o pequeña | ||
| M20 | Acero inoxidable, acero fundido, acero al manganeso, acero aleado, fundición aleada, fundición maleable | Torneado en condiciones de velocidad de corte media y sección de viruta media Corte, fresado | ||
| M30 | Acero inoxidable, acero fundido, acero al manganeso, acero aleado, fundición aleada, fundición maleable | Torneado, fresado y cepillado en condiciones de velocidad de corte media o alta y sección de viruta media o grande. | ||
| M40 | Acero inoxidable, acero fundido, acero al manganeso, acero aleado, fundición aleada, fundición maleable | Torneado, tronzado y fresado pesado | ||
A continuación se presentan varias aleaciones duras de uso común para el corte:
(1) Aleación dura de tipo K
Es una aleación basada en WC con Co como aglutinante, o con una pequeña cantidad de TaC y NbC añadidos. Se utiliza principalmente para procesar materiales de viruta corta, como hierro fundido, hierro fundido enfriado, hierro fundido maleable de viruta corta, hierro fundido gris, etc. Los grados más comunes son K01, K10, K20, K30, K40, etc.
A medida que aumenta el número de grado de 10, 20, 30 a 40, aumenta el contenido de cobalto, lo que da como resultado una mayor resistencia pero una menor dureza, resistencia al calor y resistencia al desgaste, por lo que es adecuado para el mecanizado basto. Por el contrario, cuanto más carburo de wolframio contiene, mayor es la dureza, la resistencia al calor y la resistencia al desgaste, pero menor es la resistencia, por lo que resulta adecuada para el mecanizado fino.
(2) Aleación dura de tipo P
Es una aleación a base de TiC y WC con Co (Ni+Mo, Ni+Co) como aglutinante. Debido a la presencia de TiC, mejora la temperatura de unión con el acero y la capacidad de evitar la difusión. Se utiliza principalmente para procesar materiales de viruta larga, como acero, acero fundido, fundición maleable de viruta larga, etc.
Los grados más comunes son P01, P10, P20, P30, P40, etc. El contenido de cobalto aumenta secuencialmente, lo que da como resultado una mayor resistencia pero una menor dureza, resistencia al calor y resistencia al desgaste, por lo que es adecuado para el mecanizado en bruto. Por el contrario, cuanto más TiC contiene, mayor es la dureza, la resistencia al calor y la resistencia al desgaste, pero menor es la resistencia, por lo que es adecuado para el mecanizado fino.
(3) Aleación dura de tipo M
Se trata de una aleación basada en WC con Co como aglutinante, a la que se añade una pequeña cantidad de TiC (TaC, NbC). Debido a la adición de una cierta cantidad de metales raros TaC (NbC), mejora la resistencia a la flexión, la resistencia a la fatiga y la tenacidad al impacto, así como la dureza a alta temperatura, la resistencia, la resistencia a la oxidación y la resistencia al desgaste.
Los grados más comunes son M01, M10, M20, M30, M40, etc. Las aleaciones duras de tipo M son aleaciones de uso general y pueden utilizarse para procesar acero inoxidable, acero fundido, acero al manganeso, fundición maleable, acero aleado, fundición aleada, etc.
3. Otros materiales para herramientas
(1) Cerámica
Los materiales cerámicos para herramientas están hechos de compuestos artificiales, formados a alta presión y sinterizados a altas temperaturas. Tienen una dureza de 91~95HRA, resistencia al calor de hasta 1200℃, buena estabilidad química y baja afinidad con los metales. En comparación con las aleaciones duras, pueden aumentar la velocidad de corte entre 3 y 5 veces.
Sin embargo, su mayor desventaja es la baja resistencia a la flexión y la escasa tenacidad al impacto. Se utilizan principalmente para el semiacabado y el acabado de acero, hierro fundido y materiales de alta dureza (como el acero templado) durante el corte continuo.
(2) Diamante
El diamante se divide en natural y sintético, ambos alótropos del carbono. El diamante natural rara vez se utiliza debido a su elevado coste. El diamante sintético se fabrica a partir de grafito a alta temperatura y alta presión, con una dureza de 10000HV.
Las herramientas de diamante pueden cortar con precisión metales no férreos y aleaciones, cerámica y otros materiales de gran dureza y resistencia al desgaste. Sin embargo, tienen poca estabilidad química con el hierro y no son adecuadas para procesar materiales ferrosos. Su estabilidad térmica también es escasa, y cuando la temperatura alcanza los 800℃, las herramientas de diamante sufren carbonización en el aire, lo que provoca un rápido desgaste.
(3) Nitruro de boro cúbico
El nitruro de boro cúbico se sintetiza mediante métodos artificiales a alta temperatura y alta presión con la adición de un catalizador. Tiene una dureza de 8000~9000HV y una resistencia al calor de 1400℃. Se utiliza principalmente para el semiacabado y acabado de aleaciones de alta temperatura, acero endurecido y materiales de fundición enfriados.
III. Recubrimiento superficial de los materiales de las herramientas
Por lo general, la tenacidad y la dureza de los materiales de las herramientas no pueden equilibrarse, por lo que la vida útil de la mayoría de los materiales de las herramientas se ve afectada principalmente por el desgaste. En los últimos años, se han adoptado métodos de tratamiento de recubrimiento superficial para resolver adecuadamente este problema.
El recubrimiento superficial de materiales para herramientas se aplica a herramientas fabricadas con acero de alta velocidad y materiales de carburo cementado resistentes. Mediante métodos como la deposición química de vapor y el pulverizado al vacío, se deposita en la superficie de la herramienta una capa muy fina (5~12μm) de carburo de titanio (TiC) o nitruro de titanio (TiN), compuestos metálicos refractarios de gran dureza y resistencia al desgaste, que forman un revestimiento superficial de color amarillo dorado.
Gracias a la alta dureza y al bajo coeficiente de fricción del revestimiento, se mejora la resistencia al desgaste de la herramienta. El revestimiento también tiene propiedades antioxidantes y antiadherentes, lo que retrasa el desgaste de la herramienta. Por lo tanto, la velocidad de corte puede aumentar de 30% a 50%, y la vida útil de la herramienta puede prolongarse varias veces.
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