Taglio della lamiera: Tecniche, strumenti e buone pratiche
Avete mai visto una lastra di metallo diventare un pezzo di macchina preciso? Tutto inizia con il taglio. Dalle cesoie della vecchia scuola alle...
I materiali degli utensili si riferiscono principalmente ai materiali della parte tagliente dell'utensile. Le loro prestazioni sono un fattore cruciale che influisce sulla qualità della lavorazione, sull'efficienza di taglio e sulla durata dell'utensile. L'applicazione ragionevole di nuovi materiali per utensili non solo può migliorare efficacemente la produttività, la qualità della lavorazione e i vantaggi economici, ma è spesso il processo chiave per la lavorazione di alcuni materiali difficili da lavorare.
I. Requisiti prestazionali dei materiali per utensili
1. Alta durezza
Gli utensili devono rimuovere lo strato metallico dal pezzo in lavorazione, pertanto la durezza del materiale dell'utensile deve essere superiore a quella del materiale del pezzo. In genere, la durezza a temperatura ambiente dei materiali degli utensili deve essere superiore a 60HRC.
2. Alta resistenza all'usura
I materiali degli utensili devono avere un'elevata resistenza all'usura per resistere all'usura del pezzo e dei trucioli. Queste prestazioni dipendono dalla durezza del materiale dell'utensile e dalla sua composizione chimica e microstruttura.
Maggiore è la durezza del materiale dell'utensile, migliore è la resistenza all'usura; maggiore è il numero di carburi in lega resistenti all'usura presenti nel materiale dell'utensile, più fini e più uniformemente distribuiti sono i grani, migliore è la resistenza all'usura.
3. Forza e resistenza sufficienti
Durante il taglio, l'utensile è sottoposto a varie sollecitazioni, urti e vibrazioni. Per evitare scheggiature e rotture, il materiale dell'utensile deve avere una resistenza e una tenacità sufficienti.
4. Alta resistenza al calore
La resistenza al calore si riferisce alla capacità del materiale dell'utensile di mantenere la durezza, la resistenza e la tenacità a temperatura ambiente in condizioni di alta temperatura. Può anche essere espressa come durezza a caldo o durezza ad alta temperatura. Migliore è la resistenza al calore, maggiore è la resistenza consentita. velocità di taglio nella lavorazione. È un indicatore chiave delle prestazioni del materiale dell'utensile.
5. Buona lavorabilità
Per facilitare la produzione, i materiali per utensili devono avere una buona lavorabilità, come la lavorabilità, la rettifica, la forgiatura, la saldabilità e le proprietà di trattamento termico. Inoltre, è necessario utilizzare il più possibile materiali per utensili che siano ricchi di risorse e a basso costo.
II. Tipi di materiali per utensili
I materiali per utensili comprendono principalmente acciaio per utensili (acciaio per utensili non legato e acciaio per utensili legato), acciaio ad alta velocità, carburo cementato, materiali ceramici e materiali per utensili superduri. Le loro principali proprietà fisiche e meccaniche sono illustrate nella Tabella 1.
Tabella 1 Proprietà fisiche e meccaniche dei vari materiali per utensili
| Tipi di materiale | Durezza del materiale | Resistenza alla flessione del materiale /GPa | Durezza all'impatto del materiale /(kJ/m2) | Conduttività termica del materiale /[W/(m-K1)] | Resistenza al calore del materiale /℃ | |
| Acciaio per utensili non legato | 60~65HRC 81,2~83,9HRA | 2.45~2.74 | 67.2 | 200~250 | ||
| Acciaio per utensili ad alta velocità | 63~70HRC 83~86.6HRA | 1.96~5.88 | 98~588 | 1.67~25 | 600~700 | |
| Acciaio legato per utensili | 63~66HRC | 2.4 | 41.8 | 300~400 | ||
| Durezza Lega | YG6 | 89.5HRA | 1.45 | 30 | 79.6 | 900 |
| YT14 | 90.5HRA | 1.2 | 7 | 33.5 | 900 | |
| Ceramica | 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 naturale | 10000HV | 0.21~0.49 | 146.5 | 700~800 | |
| Diamante policristallino Lama in composito | 6500～8000HV | 2.8 | 100～108.7 | 700~800 | ||
| Nitruro di boro cubico | Corpo sinterizzato | 6000～8000HV | 1.0 | 41.8 | 1000~1200 | |
| Nitruro di boro cubico Lama in composito FD | ≥5000HV | 1.5 | >1000 | |||
1. Acciaio per utensili ad alta velocità
Il nome completo dell'acciaio per utensili ad alta velocità è acciaio per utensili in lega ad alta velocità, noto anche come acciaio bianco o acciaio tagliente.
L'acciaio per utensili ad alta velocità è un acciaio per utensili altamente legato con una grande quantità di elementi di lega come W, Mo, Cr e V aggiunti all'acciaio per utensili legato. Questi elementi di lega formano carburi ad alta durezza con il carbonio, conferendo all'acciaio per utensili ad alta velocità un'eccellente resistenza all'usura.
Gli atomi di tungsteno e gli atomi di carbonio hanno una forte forza di legame che aumenta la durezza ad alta temperatura dell'acciaio. Il ruolo del molibdeno è fondamentalmente lo stesso del tungsteno e può affinare i grani di carburo, ridurre le irregolarità dei carburi nell'acciaio e migliorare la tenacità dell'acciaio.
L'acciaio per utensili ad alta velocità è un materiale per utensili con buone prestazioni generali e la più ampia gamma di applicazioni. Ha un'elevata resistenza alla flessione, una buona tenacità e una durezza di 63~66HRC dopo il trattamento termico. È facile da affilare per ottenere un tagliente affilato, per cui viene spesso chiamato "acciaio tagliente" nella produzione.
La sua resistenza al calore è di 600~660℃ e la velocità di taglio può raggiungere circa 30m/min quando si tagliano materiali in acciaio al carbonio. Ha una buona lavorabilità e può essere utilizzato per produrre utensili con forme complesse, come punte, maschi, utensili di formatura, brocce e utensili per ingranaggi. È inoltre adatto alla lavorazione di vari materiali, come acciaio al carbonio, acciaio legato, metalli non ferrosi e ghisa.
L'acciaio per utensili ad alta velocità può essere suddiviso in acciaio per utensili ad alta velocità ordinario e acciaio per utensili ad alta velocità ad alte prestazioni in base alle prestazioni di taglio.
(1) Acciaio ordinario per utensili ad alta velocità
L'acciaio per utensili ad alta velocità ordinario può essere suddiviso in acciaio per utensili ad alta velocità della serie tungsteno e acciaio per utensili ad alta velocità della serie tungsteno-molibdeno.
Il primo grado comune di acciaio per utensili ad alta velocità della serie al tungsteno è il W18Cr4V, che ha buone prestazioni generali e rettificabilità. Può essere utilizzato per produrre vari utensili complessi e utensili di finitura. Tuttavia, poiché il tungsteno è un'importante risorsa strategica e questo grado contiene un'alta percentuale di tungsteno, la sua applicazione è ora meno comune ed è stata gradualmente eliminata in alcuni Paesi sviluppati.
Il grado comune di acciaio per utensili ad alta velocità della serie tungsteno-molibdeno è W6Mo5Cr4V2, che ha buone prestazioni complessive. Grazie al ruolo del molibdeno, i carburi sono particelle fini e uniformemente distribuite, per cui la resistenza alla flessione e la tenacità all'impatto sono superiori a quelle dell'acciaio per utensili ad alta velocità della serie al tungsteno. Ha anche una buona termoplasticità, che lo rende adatto alla produzione di utensili laminati a caldo. Tuttavia, questo materiale presenta un'elevata sensibilità alla decarburazione, un intervallo di temperatura di tempra ristretto ed è difficile da gestire nel processo di trattamento termico.
Il W9Mo3Cr4V è un acciaio per utensili ad alta velocità sviluppato autonomamente dalla Cina. La sua durezza, resistenza e termoplasticità sono leggermente superiori a quelle del W6Mo5Cr4V2. Ha una buona durezza e tenacità, è facile da laminare e forgiare, ha un'ampia gamma di temperature di trattamento termico, una bassa sensibilità alla decarburazione e un costo inferiore.
(2) Acciaio per utensili ad alta velocità ad alte prestazioni
L'acciaio per utensili ad alta velocità ad alte prestazioni è un nuovo tipo di acciaio per utensili ad alta velocità che migliora il normale acciaio per utensili ad alta velocità modificando la composizione chimica e aggiungendo altri elementi di lega. Questo tipo di acciaio per utensili ad alta velocità è utilizzato principalmente per il taglio di materiali difficili da lavorare, come le leghe ad alta temperatura, le leghe di titanio, gli acciai ad alta resistenza e gli acciai inossidabili.
Esistono diversi tipi di acciaio per utensili ad alte prestazioni:
1) Acciaio per utensili ad alta velocità ad alto tenore di carbonio
La frazione di massa del carbonio viene aumentata da 0,9% a 1,05%, facendo sì che tutti gli elementi di lega presenti nell'acciaio formino carburi, migliorando così la durezza, la resistenza all'usura e la resistenza al calore dell'acciaio, ma la sua forza e tenacità diminuiscono leggermente. Il grado tipico è 95W18Cr4V.
2) Acciaio per utensili ad alta velocità ad alto tenore di vanadio
La frazione di massa del vanadio è aumentata da 3% a 5% e il grado tipico è W6Mo5Cr4V3. Grazie all'aumento del contenuto di carburo di vanadio, la resistenza all'usura dell'acciaio per utensili ad alta velocità è migliorata e viene generalmente utilizzato per il taglio di acciai ad alta resistenza. Tuttavia, questo tipo di acciaio per utensili ad alta velocità è più difficile da affilare rispetto all'acciaio per utensili ad alta velocità ordinario.
3) Acciaio per utensili ad alta velocità al cobalto
L'aggiunta di cobalto all'acciaio per utensili ad alta velocità ne migliora la durezza alle alte temperature e la resistenza all'ossidazione. Il grado tipico è W2Mo9Cr4VCo8, che ha buone prestazioni globali ed è molto efficace per la lavorazione di materiali difficili da lavorare, come le leghe ad alta temperatura e l'acciaio inossidabile.
4) Acciaio per utensili ad alta velocità in alluminio
L'acciaio per utensili ad alta velocità all'alluminio è un nuovo tipo di acciaio per utensili ad alta velocità sviluppato in Cina. L'aggiunta di una piccola quantità di alluminio all'acciaio rapido ordinario migliora la resistenza al calore e all'usura dell'acciaio per utensili ad alta velocità e garantisce buone prestazioni globali.
Il grado tipico è W6Mo5Cr4V2Al, che raggiunge le prestazioni di taglio dell'acciaio per utensili ad alta velocità al cobalto, ha una buona lavorabilità, è poco costoso e si avvicina come prezzo all'acciaio per utensili ad alta velocità ordinario. Tuttavia, ha una scarsa rettificabilità e richiede rigorosi processi di trattamento termico.
Con l'aumento dell'uso di utensili complessi ad alta precisione, il costo della lavorazione rappresenta una parte importante del costo dell'utensile, mentre il costo del materiale rappresenta una parte minore (da 15% a 30%). Pertanto, è economicamente ragionevole utilizzare materiali per utensili ad alte prestazioni. Per le macchine utensili come i centri di lavoro, dove i costi di cambio utensile sono elevati, i materiali ad alte prestazioni dovrebbero essere utilizzati ancora di più.
I gradi e le principali proprietà meccaniche degli acciai per utensili ad alta velocità sopra citati sono riportati nella Tabella 2.
Tabella 2 Gradi e principali proprietà meccaniche dell'acciaio rapido
| Grado | Durezza a temperatura ambiente HRC | Resistenza alla flessione σw /GPa | Durezza all'urto aK /(MJ/m) | Durezza ad 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. Lega dura
La lega dura è un prodotto di metallurgia delle polveri ottenuto dalla sinterizzazione di polveri di carburo di tungsteno (WC) e carburo di titanio (TiC) come componenti principali e di cobalto (Co), molibdeno (Mo) e nichel (Ni) come leganti in un forno a vuoto o in un forno a riduzione di idrogeno.
La durezza della lega dura raggiunge 89~94HRA, equivalente a 71~76HRC, con un'ottima resistenza all'usura. La resistenza al calore può raggiungere 800~1000℃ e la velocità di taglio può raggiungere più di 100m/min quando si taglia acciaio al carbonio medio. Tuttavia, la sua resistenza alla flessione e la sua tenacità sono inferiori all'acciaio ad alta velocità e la sua lavorabilità è leggermente peggiore rispetto all'acciaio ad alta velocità.
Attualmente, la lega dura è diventata il principale materiale per utensili nella lavorazione di taglio, ampiamente utilizzato in vari utensili con velocità di taglio più elevate e anche in utensili complessi, come frese frontali in lega dura, frese a candela, utensili per alesatura, punte, alesatori, ecc.
Le prestazioni delle leghe dure dipendono principalmente dal tipo, dal contenuto e dalla dimensione delle particelle dei carburi metallici, nonché dal tipo e dal contenuto del legante. Nelle leghe dure, una maggiore percentuale di carburi determina una maggiore durezza e una migliore resistenza all'usura; una maggiore quantità di legante determina una maggiore resistenza alla flessione. In genere, la resistenza delle leghe dure a grana fine è inferiore a quella delle leghe dure a grana grossa con la stessa composizione, mentre la durezza è superiore a quella delle leghe dure a grana grossa.
GB/T 18376.1-2008 classifica le leghe dure per utensili da taglio in sei categorie: K, P, M, H, S e N, in base al materiale da lavorare. Per soddisfare le diverse esigenze di utilizzo, sono suddivise in diversi gruppi in base alla resistenza all'usura e alla tenacità, rappresentati da numeri a due cifre come 01, 10, 20, 30, 40, ecc.
La Tabella 3 elenca la classificazione, il raggruppamento e le condizioni di lavoro consigliate per le prime tre categorie. La categoria H (H01~H30) è utilizzata principalmente per la lavorazione di materiali da taglio duri; la categoria S (S01~S30) è utilizzata principalmente per la lavorazione di materiali resistenti al calore e leghe di alta qualità; la categoria N (N01~N30) è utilizzata principalmente per la lavorazione di metalli non ferrosi e materiali non metallici.
Tabella 3 Classificazione, raggruppamento e condizioni di lavoro raccomandate per le leghe dure per la lavorazione da taglio
| Gruppo | Condizioni di lavoro | Direzione del miglioramento delle prestazioni | ||
| Materiale da trattare | Condizioni di lavorazione adeguate | Prestazioni di taglio | Prestazioni della lega | |
| K01 | Ghisa, ghisa raffreddata, ghisa malleabile a truciolo corto | Tornitura, tornitura di finitura, fresatura, alesatura, raschiatura | ← Velocità di taglio - velocità di avanzamento → | ← Resistenza all'usura - Robustezza → |
| K10 | Ghisa con durezza Brinell superiore a 220, ghisa malleabile a truciolo corto | Tornitura, fresatura, alesatura, raschiamento, brocciatura | ||
| K20 | Ghisa grigia con durezza Brinell inferiore a 220, ghisa malleabile a truciolo corto | Utilizzato per la tornitura, la fresatura, l'alesatura, ecc. nella lavorazione di sgrossatura e semifinitura a media velocità di taglio e con un carico leggero. | ||
| K30 | Ghisa, ghisa malleabile a truciolo corto | Utilizzato per la tornitura, la fresatura, la piallatura e la scanalatura in condizioni avverse, eventualmente con ampi angoli di taglio, che richiedono la tenacità dell'inserto. Alcuni requisiti | ||
| K40 | Ghisa, ghisa malleabile a truciolo corto | Utilizzato per la lavorazione di sgrossatura in condizioni avverse, con una velocità di taglio ridotta e un'elevata velocità di avanzamento. | ||
| P01 | Acciaio, acciaio fuso | Elevata velocità di taglio, ridotta sezione del truciolo, tornitura di finitura e alesatura in condizioni di assenza di vibrazioni | ||
| P10 | Acciaio, acciaio fuso | Tornitura, tornitura di profili, filettatura e fresatura in condizioni di alta velocità di taglio e sezione del truciolo medio-bassa. | ||
| P20 | Acciaio, acciaio fuso, ghisa malleabile a truciolo lungo | Tornitura, tornitura di profili e fresatura in condizioni di media velocità di taglio e media sezione del truciolo, piallatura con piccola sezione del truciolo | ||
| P30 | Acciaio, acciaio fuso, ghisa malleabile a truciolo lungo | Tornitura, fresatura, piallatura e lavorazione in condizioni avverse con velocità di taglio media o bassa e sezione del truciolo media o grande | ||
| P40 | Acciaio, acciaio fuso con fori di sabbia e pori | Tornitura, piallatura, scanalatura e lavorazione su macchine automatiche in condizioni di bassa velocità di taglio, grande angolo di taglio, grande sezione di truciolo e condizioni avverse. | ||
| M01 | Acciaio inossidabile, acciaio ferritico, acciaio fuso | Elevata velocità di taglio, carico ridotto, tornitura e alesatura di precisione in assenza di vibrazioni | ||
| M10 | Acciaio inox, acciaio fuso, acciaio al manganese, acciaio legato, ghisa legata, ghisa malleabile | Tornitura in condizioni di velocità di taglio media o elevata, sezione del truciolo media o piccola | ||
| M20 | Acciaio inox, acciaio fuso, acciaio al manganese, acciaio legato, ghisa legata, ghisa malleabile | Tornitura in condizioni di media velocità di taglio e media sezione del truciolo Taglio, fresatura | ||
| M30 | Acciaio inox, acciaio fuso, acciaio al manganese, acciaio legato, ghisa legata, ghisa malleabile | Tornitura, fresatura e piallatura in condizioni di media o alta velocità di taglio e di media o grande sezione del truciolo | ||
| M40 | Acciaio inox, acciaio fuso, acciaio al manganese, acciaio legato, ghisa legata, ghisa malleabile | Tornitura, troncatura e fresatura pesante | ||
Di seguito vengono presentate alcune leghe dure comunemente utilizzate per il taglio:
(1) Lega dura di tipo K
È una lega a base di WC con Co come legante o con l'aggiunta di una piccola quantità di TaC e NbC. È utilizzata principalmente per la lavorazione di materiali a truciolo corto, come ghisa, ghisa raffreddata, ghisa malleabile a truciolo corto, ghisa grigia, ecc. I gradi più comuni sono K01, K10, K20, K30, K40, ecc.
Con l'aumento del numero di grado da 10, 20, 30 e 40, aumenta il contenuto di cobalto, che determina una maggiore forza ma una minore durezza, resistenza al calore e all'usura, rendendolo adatto alla lavorazione grossolana. Al contrario, maggiore è il contenuto di carburo di tungsteno, maggiore è la durezza, la resistenza al calore e all'usura, ma minore è la resistenza, rendendolo adatto alla lavorazione fine.
(2) Lega dura di tipo P
È una lega a base di TiC e WC con Co (Ni+Mo, Ni+Co) come legante. Grazie alla presenza di TiC, migliora la temperatura di legame con l'acciaio e la capacità di prevenire la diffusione. È utilizzata principalmente per la lavorazione di materiali a truciolo lungo, come acciaio, acciaio fuso, ghisa malleabile a truciolo lungo, ecc.
I gradi più comuni sono P01, P10, P20, P30, P40, ecc. Il contenuto di cobalto aumenta in modo sequenziale, determinando una maggiore forza ma una minore durezza, resistenza al calore e all'usura, che lo rendono adatto alla lavorazione grezza. Al contrario, maggiore è la quantità di TiC contenuta, maggiore è la durezza, la resistenza al calore e all'usura, ma minore è la resistenza, il che lo rende adatto alla lavorazione fine.
(3) Lega dura di tipo M
È una lega a base di WC con Co come legante, con l'aggiunta di una piccola quantità di TiC (TaC, NbC). Grazie all'aggiunta di una certa quantità di metalli rari TaC (NbC), migliora la resistenza alla flessione, alla fatica e all'impatto, nonché la durezza alle alte temperature, la forza, la resistenza all'ossidazione e all'usura.
I gradi più comuni sono M01, M10, M20, M30, M40, ecc. Le leghe dure di tipo M sono leghe di uso generale e possono essere utilizzate per la lavorazione di acciaio inossidabile, acciaio fuso, acciaio al manganese, ghisa malleabile, acciaio legato, ghisa legata, ecc.
3. Altri materiali per utensili
(1) Ceramica
I materiali ceramici per utensili sono realizzati con composti artificiali, formati ad alta pressione e sinterizzati ad alte temperature. Hanno una durezza di 91~95HRA, resistenza al calore fino a 1200℃, buona stabilità chimica e bassa affinità con i metalli. Rispetto alle leghe dure, possono aumentare la velocità di taglio di 3-5 volte.
Tuttavia, il loro principale svantaggio è la bassa resistenza alla flessione e la scarsa tenacità all'impatto. Sono utilizzati principalmente per la semi-finitura e la finitura di acciaio, ghisa e materiali ad alta durezza (come l'acciaio bonificato) durante il taglio continuo.
(2) Diamante
Il diamante si divide in naturale e sintetico, entrambi allotropi del carbonio. Il diamante naturale è raramente utilizzato a causa del suo costo elevato. Il diamante sintetico è ottenuto dalla grafite ad alta temperatura e pressione, con una durezza di 10000HV.
Gli utensili diamantati possono tagliare con precisione metalli non ferrosi e leghe, ceramiche e altri materiali ad alta durezza e resistenza all'usura. Tuttavia, hanno una scarsa stabilità chimica con il ferro e non sono adatti alla lavorazione di materiali ferrosi. Anche la loro stabilità termica è scarsa e quando la temperatura raggiunge gli 800℃, gli utensili diamantati subiscono una carbonizzazione nell'aria, con conseguente rapida usura.
(3) Nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico viene sintetizzato con metodi artificiali ad alta temperatura e alta pressione con l'aggiunta di un catalizzatore. Ha una durezza di 8000~9000HV e una resistenza al calore di 1400℃. È utilizzato principalmente per la semi-finitura e la finitura di leghe ad alta temperatura, acciaio temprato e materiali in ghisa raffreddati.
III. Rivestimento superficiale dei materiali degli utensili
La tenacità e la durezza dei materiali per utensili in genere non possono essere bilanciate, quindi la durata di vita della maggior parte dei materiali per utensili è influenzata principalmente dall'usura. Negli ultimi anni sono stati adottati metodi di trattamento del rivestimento superficiale per risolvere adeguatamente questo problema.
Il rivestimento superficiale dei materiali degli utensili viene applicato agli utensili in acciaio ad alta velocità e in materiali tenaci in carburo cementato. Attraverso metodi quali la deposizione da vapore chimico e lo sputtering sotto vuoto, uno strato molto sottile (5~12μm) di carburo di titanio (TiC) o nitruro di titanio (TiN), composto metallico ad alta durezza, alta resistenza all'usura e refrattario, viene depositato sulla superficie dell'utensile, formando un rivestimento superficiale giallo oro.
Grazie all'elevata durezza e al basso coefficiente di attrito del rivestimento, la resistenza all'usura dell'utensile risulta migliorata. Il rivestimento ha anche proprietà anti-ossidazione e anti-adesione, ritardando l'usura dell'utensile. Pertanto, la velocità di taglio può essere aumentata da 30% a 50% e la durata dell'utensile può essere prolungata di diverse volte.
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