Parte 4: Clasificación y campos de aplicación del carburo cementado
Capítulo 11 Herramientas de corte y procesamiento de carburo
11.0 Herramientas de corte y procesamiento de carburo
11.0.1 ¿Qué es el corte?
El corte es un proceso fundamental en el mecanizado, que consiste en utilizar herramientas para eliminar las piezas sobrantes del material de la pieza de trabajo y obtener la forma, el tamaño y la calidad superficial deseados. El corte se basa en el afilado de la herramienta y la deformación plástica o frágil del material, eliminando gradualmente la capa de material mediante fuerzas como cizallamiento, extrusión y fricción. El proceso de corte suele implicar un movimiento de rotación o avance a alta velocidad, que produce virutas y presenta diferentes propiedades físicas en el corte de metales (como acero y fundición) o de materiales no metálicos (como materiales compuestos). La eficiencia y la calidad del corte se ven directamente afectadas por el material de la herramienta, los parámetros geométricos, los parámetros de corte (como velocidad, avance y profundidad de corte), y la dureza y tenacidad del material de la pieza. Como herramienta clave en el proceso de corte, las herramientas de corte de carburo cementado han mejorado significativamente la precisión, la eficiencia y la vida útil del corte gracias a su excelente rendimiento, convirtiéndose en un componente indispensable de la fabricación moderna.
1.0.2 ¿Qué son las herramientas de corte de carburo?
Las herramientas de corte de carburo cementado son herramientas de corte fabricadas con carburo cementado como material base. Se utilizan ampliamente en el corte de metales, el procesamiento de materiales no metálicos y el procesamiento de materiales compuestos. Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y durabilidad, se han convertido en un equipo esencial en la fabricación moderna. El carburo cementado es un material compuesto compuesto por carburo (como carburo de tungsteno WC, carburo de titanio TiC , carburo de tántalo TaC ) como fase dura y metal (como cobalto Co, níquel Ni) como fase aglutinante mediante procesos avanzados de pulvimetalurgia (que incluyen mezcla, prensado, sinterización y posprocesamiento). Su proceso de preparación implica la dosificación precisa de materias primas de alta pureza, la sinterización a alta temperatura (1400-1600 °C) al vacío o en atmósfera inerte, y el mecanizado de precisión o tratamiento de recubrimiento para garantizar la uniformidad del material y la estabilidad del rendimiento. Su excelente rendimiento se refleja principalmente en los siguientes aspectos clave:
Excelente rendimiento de las herramientas de corte de carburo cementado: alta dureza
El rango de dureza es HV 1600-2500 (±30), que es mucho más alto que el acero de alta velocidad tradicional (HV 800-900) o el acero para herramientas (HV 600-700). Esta característica le permite cortar de manera efectiva una variedad de materiales de alta dureza, incluidos aceros (como acero al carbono Q235 HV 150-250±10, acero de aleación 40Cr HV 200-400±10), fundiciones (como fundición gris HT200 HV 150-220±10, hierro dúctil QT500 HV 200-250±10), así como materiales difíciles de mecanizar (como aleación de titanio TC4 HV 300-400±10, aleación a base de níquel Inconel 718 HV 400-500±10) y materiales superduros (como diamante policristalino PCD HV >5000±50). Esta alta dureza mantiene la estabilidad del filo durante el corte a alta velocidad, evita la desalineación geométrica debido al desgaste y extiende significativamente la vida útil de la herramienta (hasta cientos de horas en condiciones de trabajo adecuadas), lo que la hace particularmente adecuada para tareas de corte continuo y de alta precisión.
Excelente rendimiento de las herramientas de corte de carburo cementado: excelente tenacidad
La tenacidad a la fractura ( K₁c ) es de 10-20 MPa·m¹/² (± 0,5), y se consigue un equilibrio dinámico entre dureza y tenacidad ajustando el contenido de cobalto de la fase aglutinante ( normalmente 6 %-20 %) o añadiendo trazas de tierras raras (como Ce, La). Esta propiedad de tenacidad le permite soportar impactos de alta frecuencia, vibraciones y tensiones térmicas durante el proceso de corte, especialmente en cortes intermitentes (como el mecanizado de fundición o piezas de trabajo con huecos), mecanizados de carga pesada (como la perforación de agujeros profundos) o condiciones de carga intermitente. Además, optimizando el tamaño de grano (0,5-2 μm ) o introduciendo carburos a escala nanométrica, se mejora aún más la resistencia del material a la propagación de grietas, lo que garantiza la integridad estructural de la herramienta en condiciones de trabajo complejas.
Excelente rendimiento de las herramientas de corte de carburo cementado: resistencia al desgaste
La tasa de desgaste es inferior a 0,05 mm³ / N · m (± 0,01 mm³ / N · m) . Gracias a la alta dureza de los carburos y a la lubricación de la fase aglutinante, la herramienta puede mantener su rendimiento de corte después de un corte a largo plazo (vida útil >10 horas ± 1 hora, hasta 50-100 horas dependiendo de las condiciones de trabajo). Especialmente en condiciones de alta velocidad (1000-2000 m/min ± 10 m/min) o que contienen partículas duras (como abrasivos de muelas abrasivas, polvo cerámico), las herramientas de carburo cementado muestran una excelente resistencia al desgaste. Esta resistencia al desgaste proviene del efecto sinérgico de la estructura densa dentro del material (densidad >98% del valor teórico) y el recubrimiento de la superficie (como TiN , Al₂O₃ , TiAlN , espesor 5-25 μm ) , y se utiliza ampliamente en escenarios de procesamiento de alta carga, como fresado, taladrado y torneado de alta velocidad.
Excelente rendimiento de las herramientas de corte de carburo cementado: otras ventajas de rendimiento
Además de las características principales mencionadas, las herramientas de corte de carburo cementado también presentan una excelente resistencia a la oxidación a alta temperatura (800-1000 °C), un bajo coeficiente de expansión térmica (aproximadamente 4,5-6,0 × 10⁻⁶ / °C) y una buena estabilidad química (resistencia a la corrosión ácida y alcalina). Estas características le permiten adaptarse a diversos entornos de procesamiento, desde temperatura ambiente hasta altas temperaturas (300-800 °C), y son especialmente adecuadas para la industria aeroespacial (como el procesamiento de aleaciones de titanio), la industria energética (como las cuchillas de aleación de alta temperatura) y la industria electrónica (como el micromaquinado de alta precisión). Además, gracias a las modernas tecnologías de fabricación (como el prensado isostático en caliente HIP y el tratamiento superficial por láser), se reducen eficazmente los defectos internos de la herramienta (como poros y grietas), lo que mejora aún más su vida útil y fiabilidad.
Aplicación y desarrollo de herramientas de corte de carburo cementado
El rango de aplicación de las herramientas de corte de carburo cementado abarca una variedad de piezas, como acero, fundición, materiales difíciles de procesar, metales no ferrosos, materiales compuestos y materiales superduros. Se utilizan ampliamente en la fabricación de automóviles (como piezas de motores), la industria aeroespacial (como discos de turbinas), el procesamiento de moldes (como matrices de estampación) y la industria electrónica (como el taladrado de circuitos impresos). Con el avance de la Industria 4.0 y la fabricación inteligente, las herramientas de carburo cementado están evolucionando hacia un alto rendimiento (como nanorrecubrimientos y materiales con gradientes) e inteligencia, como sensores integrados para monitorear el desgaste u optimizar los parámetros de corte mediante IA para satisfacer una mayor eficiencia y satisfacer necesidades más complejas.
11.0.3 ¿Qué son las herramientas de corte de carburo cementado?
Las herramientas de corte de carburo son herramientas de corte fabricadas con carburo cementado como material base. Gracias a su excelente dureza, resistencia al desgaste y tenacidad, se utilizan ampliamente en el corte de metales y el procesamiento de otros materiales. Estas herramientas satisfacen diversas necesidades, desde el procesamiento general hasta las condiciones de trabajo complejas y de alta precisión, mediante un diseño preciso, procesos avanzados de tratamiento de superficies y optimización geométrica. A continuación, se presentan los principales tipos de herramientas de corte de carburo, sus características, escenarios de aplicación y tecnologías de optimización, que se explican de forma completa y detallada , en combinación con las prácticas de la industria y los últimos avances tecnológicos.
(1) Las herramientas de torneado de carburo
son esenciales en el mecanizado de tornos. Mediante la rotación de la pieza y su avance axial o radial, se completa el corte del círculo exterior, el agujero interior, la cara final, el escalón, la rosca y los contornos complejos. Las herramientas de torneado de carburo suelen estar fabricadas con materiales de alta dureza (como YG6, YG8, YT15, YT30). El cuerpo de la herramienta incluye carburo sólido, hojas de carburo soldadas o estructuras de hojas reemplazables para satisfacer los diferentes requisitos de mecanizado. El ángulo de ataque de la herramienta (5°-15° ± 0,5°) y el ángulo de retroceso (6°-12°) están optimizados geométricamente con precisión para reducir la fuerza de corte y la resistencia a la viruta, mejorando así la eficiencia de corte. El ángulo de retroceso secundario (1°-3°) y el chaflán del filo (0,1-0,2 mm) mejoran aún más la resistencia al astillado. La tecnología de recubrimiento de superficies se utiliza ampliamente, como el recubrimiento PVD ( TiN , TiCN , espesor 2-5 μm ) y el recubrimiento CVD ( Al₂O₃ , TiAlN , espesor 5-25 μm ± 0,1 μm ) , que mejora significativamente la resistencia al calor (hasta 1000 °C), la resistencia al desgaste y la resistencia a la oxidación. Durante el proceso de corte, la herramienta de torneado debe soportar la carga estable de corte continuo o el impacto de corte intermitente. La vida útil es generalmente de 10 a 20 horas (± 1 hora), y la precisión puede alcanzar <0,01 mm (± 0,001 mm), lo que es adecuado para el procesamiento de piezas de alta precisión. Sus características técnicas incluyen velocidad de corte 100-500 m/min (± 10 m/min), dureza HV 1800-2200, tenacidad a la fractura 12-18 MPa·m¹ / ², tasa de desgaste <0,05 mm³ / N· m. Se utiliza ampliamente en la industria automotriz para procesar cigüeñales, árboles de levas y bielas, fabricación de moldes, torneado de precisión de cavidades de moldes y matrices de estampación, y procesamiento de piezas de aviación, círculos exteriores de aleación de titanio y piezas de aleación de aluminio.
(2) Fresas de carburo: Las fresas se utilizan para el corte a alta velocidad con múltiples
cuchillas en una fresadora . Son adecuadas para mecanizar planos, ranuras, escalones, lados y superficies curvas complejas. Son las herramientas principales de los centros de mecanizado multieje. Las fresas de carburo incluyen fresas de extremo, fresas de planear, fresas de extremo esférico y fresas de perfil. Las calidades más utilizadas incluyen YG10 (alta tenacidad, adecuada para corte intermitente), YT30 (alta resistencia al calor, adecuada para condiciones de alta temperatura) e YW2 (excelente rendimiento general). Las fresas de extremo son principalmente estructuras de carburo sólido con 2-4 cuchillas y un diámetro de 3-20 mm. Son adecuadas para agujeros y ranuras de diámetro pequeño y mecanizado de precisión. Las fresas de planear tienen diámetros mayores (50-200 mm) y utilizan cuchillas reemplazables o diseños integrales. Tienen de 4 a 12 cuchillas y son adecuadas para el fresado plano de áreas grandes. Las fresas de punta esférica y de perfil se utilizan para superficies curvas complejas y mecanizado de moldes. La optimización geométrica incluye un ángulo de hélice (30°-45° ±1°) para mejorar la descarga de viruta, un ángulo de ataque positivo (5°-10°) para reducir la fuerza de corte y un ángulo R (0,5-2 mm) para mejorar la resistencia del filo. Recubrimiento CVD (como TiAlN ). El recubrimiento de Al₂O₃ ( espesor: 10-25 μm ) o PVD (como CrN ( espesor : 2-5 μm ) ) proporciona resistencia a la temperatura (hasta 1100 °C) y protección contra el desgaste. Velocidad de corte: 200-1000 m/min, vida útil: 5-15 horas, precisión: <0,02 mm. Sus características técnicas son: dureza HV: 1700-2100, tenacidad a la fractura: 14-20 MPa·m¹ / ², alta resistencia al impacto. Sus principales aplicaciones incluyen el procesamiento aeroespacial de láminas de aleación de aluminio y componentes de aleación de titanio, el fresado de superficies complejas y matrices de estampación en la industria del molde, y el mecanizado de piezas ranuradas y perfiles de engranajes.
(3) Brocas de carburo.
Las brocas de carburo se utilizan para taladrar, reemplazando las brocas tradicionales de acero de alta velocidad y son adecuadas para taladrar agujeros profundos, agujeros de diámetro pequeño y materiales multicapa. Las brocas helicoidales son de uso general, utilizando YG6X (estructura nanocristalina, dureza HV 1900-2000), con un ángulo de hélice de 25°-35° ± 1°, y pueden taladrar agujeros con un diámetro de 5-50 mm, adecuadas para taladrado de uso general; las brocas para agujeros profundos (como las brocas cañón) utilizan YW1, con una relación longitud-diámetro de hasta 100:1, equipadas con canales de refrigeración internos para reducir la acumulación de calor y la eliminación de viruta, adecuadas para el procesamiento de agujeros profundos (como >100 mm); las brocas escalonadas utilizan un diseño de hoja multicapa, que puede procesar agujeros escalonados de diferentes diámetros a la vez, y son ampliamente utilizadas en moldes y piezas mecánicas. Recubrimiento de PVD (como TiN , El recubrimiento de TiCN ( espesor 10-15 μm ) o CVD (diamante, espesor 5-10 μm ) mejora la resistencia al desgaste y a las altas temperaturas, velocidad de corte 50-300 m/min, vida útil 10-30 horas, precisión <0,01 mm. Sus características técnicas incluyen dureza HV 1800-2200, resistencia al desgaste <0,03 mm³/N· m , buena resistencia a altas temperaturas (hasta 900 °C), ampliamente utilizado en la perforación de piezas de automoción (como bloques de cilindros, bielas), procesamiento de placas PCB de componentes electrónicos y perforación de agujeros profundos de piezas estructurales de aviación (como juntas de alas). La clave para la optimización es agregar un recubrimiento autolubricante (como MoS₂ ) para reducir la fricción y optimizar el diseño de la ranura de la viruta para evitar obstrucciones.
(4) Herramientas de mandrinado de carburo
Las herramientas de mandrinado se utilizan para expandir o ajustar con precisión los diámetros de los agujeros existentes. Las herramientas de mandrinado de carburo son en su mayoría ajustables, integrales o reemplazables. Las herramientas de mandrinado de desbaste utilizan YG8 (alta tenacidad, HV 1700-1900), con una profundidad de corte de 1-5 mm, adecuada para desbaste rápido, y un rango de diámetro de herramienta de 20-150 mm; las herramientas de mandrinado de precisión utilizan YT5 (dureza HV 1750-1850), con una profundidad de corte de 0,1-0,5 mm y una precisión de <0,005 mm, adecuada para el procesamiento de agujeros de alta precisión. La geometría de la herramienta incluye un ángulo de ataque de 5°-10° (se puede utilizar un ángulo de ataque negativo para mandrinado de desbaste), un ángulo de retroceso secundario de 2°-5° y un ángulo de relajación del filo de corte (0,2°-0,5°). El recubrimiento CVD (como Al₂O₃ , espesor 10-20 μm ) o PVD (como TiAlN ) mejora la resistencia térmica y el acabado superficial. La velocidad de corte es de 100-400 m/min, la vida útil es de 15-25 horas y las características técnicas son una tenacidad a la fractura de 12-16 MPa ·m¹ /² y una rugosidad superficial Ra <0,4 μm . Las principales aplicaciones incluyen el mandrinado fino de bloques de cilindros de motor (precisión del diámetro del cilindro <0,01 mm), el procesamiento de orificios internos de piezas hidráulicas (como el cuerpo de la bomba) y el mandrinado de precisión de moldes (como la matriz de punzonado) .
(5) Escariadores de carburo (Escariadores)
Los escariadores se utilizan para acabar el diámetro del agujero, mejorando la redondez, la tolerancia y el acabado superficial, y son adecuados para la producción en masa y los requisitos de alta precisión. Los escariadores de máquina utilizan YG6 (dureza HV 1800-2000), con un rango de diámetro de 5-50 mm, 4-8 hojas y una longitud de hoja de 1,5-2 veces el diámetro; los escariadores ajustables utilizan YT 15, con un rango de ajuste de ±0,02 mm, que es adecuado para el ajuste fino del diámetro del agujero y el procesamiento de múltiples especificaciones. El diseño geométrico incluye hojas rectas o espirales (ángulo de hélice 5°-10°), ángulo de ataque 5°-8°, recubrimiento de PVD (como TiCN , espesor 10-15 μm ) o recubrimiento de CVD (como Al₂O₃ ) para mejorar la resistencia al desgaste y antiadherencia. Velocidad de corte 20-100 m/min, vida útil 20-40 horas, precisión <0,002 mm, sus características técnicas incluyen dureza HV 1800-2100, resistencia al desgaste <0,02 mm³/N · m, ampliamente utilizado en el acabado de orificios de cojinetes (redondez <0,005 mm), orificios de ejes de transmisión de automóviles y piezas de instrumentos de precisión (como orificios para herramientas de medición).
(6) Brochas de carburo:
Las brochas se utilizan para brochado y son adecuadas para la producción en masa de chaveteros, formas de dientes, cremalleras y contornos complejos. Las brochas circulares utilizan YW2 (fuerte resistencia al calor, HV 1750-2000), con un diámetro de 10-100 mm, 10-20 dientes y una altura de diente progresiva (0,1-0,5 mm/diente); las brochas planas utilizan YG10, con un ancho de 20-100 mm y 15-30 dientes, adecuadas para brochado plano. La optimización geométrica incluye un ángulo de ataque de 5°-10°, una profundidad de ranura de viruta de 2-5 mm, un recubrimiento de CVD (como TiAlN , espesor de 15-20 μm ) o un recubrimiento de PVD (como CrN ) para mejorar la resistencia al impacto y al calor. La velocidad de corte es de 10-50 m/min, la vida útil es de 10-20 horas y la precisión es <0,01 mm. Sus características técnicas son una tenacidad a la fractura de 14-18 MPa·m¹ /² y una excelente resistencia al impacto. Sus principales aplicaciones incluyen el brochado de chaveteros de engranajes (módulos 1-5), el embutido de dientes en piezas estructurales de aviación (como conectores de fuselaje) y el embutido de moldes (como matrices de punzonado).
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