curs 5 psa final

C.5. Proiectarea sculelor aşchietoare. Note de curs

CURS 5MATERIALE PENTRU SCULE AŞCHIETOARE

Un material pentru scule trebuie să îndeplinească anumite condiţii:- să aibă duritate superioară durităţii materialului de prelucrat cu cel puţin (3-5) HRC;- să prezinte rezistenţă la uzură la rece (materialul să aibă duritate ridicată. Ex.

oţelurile de scule au duritatea de 63-65 HRC);- să aibă o conductivitate termică suficientă;- să prezinte stabilitate termică (să-şi păstreze capacitatea de aşchiere şi la temperaturi

ridicate);- să nu prezinte, dacă este posibil, deformaţii în urma tratamentului termic;- să prezinte o bună prelucrabilitate prin aşchiere sau alte procedee atât în stare

obişnuită cât şi la cald;- să aibă un preţ de cost cât mai scăzut (să fie ieftine).

Principalele materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare sunt:

1. Oţelurile de scule – oţeluri carbon pentru scule OSC;– oţeluri aliate pentru scule;– oţeluri rapide pentru scule Rp.

2. Carburi metalice – grupa principală de utilizare P (albastru);– grupa principală de utilizare M (galben);– grupa principală de utilizare K (roşu).

3. Materiale mineralo-ceramice

4. Diamante naturale şi sintetice

5. Materiale abrazive

1. Oţelurile pentru scule

1.1 Oţelurile carbon pentru scule

Oţelurile carbon pentru scule (STAS 1700-80) sunt oţeluri de calitate superioară, elaborate în cuptoare electrice, având un conţinut ridicat de carbon (0,65-1,35 %C). Prezintă o duritate mare (în stare călită: 62-65 HRC), rezistenţă mecanică şi tenacitate ridicate (σ r= 160 daN/mm2, KCU2= 1,5 daJ/cm2), în schimb, au o stabilitate termică scăzută 250°C (la ~300°C îşi pierde capacitatea de aşchiere), motiv pentru care se folosesc la viteze de aşchiere mici 10-15 m/min.

Sunt standardizate următoarele mărci de oţeluri: OSC 7, OSC 8, OSC 8M, OSC 10, OSC 11, OSC 13 (cifrele simbolizând conţinutul de carbon în zecimi de procent). În mod excepţional este prevăzută şi calitatea OSC8M, cu un conţinut ridicat de mangan (0,35-0,85%Mn).

Odată cu mărirea conţinutului de carbon, oţelul are o duritate mai mare după tratamentul termic, dar, în acelaşi timp, tenacitatea scade.

Oţelurile carbon pentru scule au o călibilitate în adâncime redusă, ceea ce condiţionează la călire, după încălzirea la temperaturi de 800-850°C, o răcire cu viteză mare în apă cu sare. Ca urmare are loc o deformare a sculei şi există pericolul fisurării (mai ales în cazul sculelor cu secţiuni mari şi variaţii de secţiune). Rezultă că utilizarea acestor oţeluri este raţională în cazul sculelor de secţiuni mici. Micşorarea tensiunilor interne se realizează printr-o revenire joasă la 200-250°C în urma căreia duritatea poate să ajungă la 63-65 HRC.

Oţelurile carbon pentru scule se prelucrează bine prin aşchiere, dar prezintă dificultăţi la rectificare deoarece stratul superficial îşi pierde duritatea datorită temperaturii ridicate (martensita de călire se transformă în martensită neagră de revenire cu duritate mai mică). De

1


aceea, aceste oţeluri se folosesc pentru sculele acţionate manual sau care lucrează cu viteze mici şi cu forme relativ simple de tipul burghie pentru materiale moi, filiere, freze, dălţi pentru piatră (OSC 13 se foloseşte la instrumente chirurgicale).

1.2 Oţelurile aliate pentru scule

Oţelurile aliate pentru scule (STAS 3611-80) conţin elemente de aliere ca wolfram, crom, vanadiu, molibden, mangan, siliciu etc, care formează carburi complexe cu stabilitate termică şi duritate mare, îmbunătăţind proprietăţile aşchietoare ale sculelor. Au caracteristici mecanice în general superioare oţelurilor carbon de scule: σr = 150....200 daN/mm2, KCU2 = 1,5...4 daJ/cm2, (duritatea după călire) max 65 HRC şi stabilitate termică mai bună (până la 300°C), permiţând astfel sporirea vitezei de aşchiere la 20-25 m/min.

Datorită elementelor de aliere au o călibilitate mai bună, ceea ce permite aplicarea unei răciri mai puţin energice la călirea sculelor de dimensiuni mari şi, prin aceasta, evitarea deformărilor şi tensiunilor (fisuri). Au o structură mai omogenă şi sunt mai puţin sensibile la supraîncălziri.

Oţelurile aliate de scule conţin wolfram, crom, şi vanadiu, principalul element de aliere având indicat conţinutul în zecimi de procent. Ex. MCW14, cu (1,2-1,6)% W şi CW20 cu (1,8-2,2)% W folosite la scule pentru prelucrarea la rece ca: tarozi, bacuri de filieră, burgie, broşe etc; VM 18 cu (1,7-1,9)% Mn utilizat la construcţia sculelor de precizie nedeformabile ca: filiere, calibre, şabloane, matriţe etc; CV06 cu (0,5-0,8)% Cr pentru scule: burghie, tarozi, alezoare, freze, scule de gravat; VMoC120 cu (11-12,5)%Cr utilizat la broşe, freze, filiere, tarozi etc.

Oţelul C120 este un oţel bogat aliat cu crom (12% Cr şi 2% C), care prezintă o rezistenţă mare la uzură şi o bună călibilitate se recomandă pentru scule cu profil complicat la viteze mici de aşchiere (broşe). Deşi se aşchiază greu, este bine prelucrabil prin rectificare.

1.3 Oţelurile rapide pentru scule

În STAS 7382-80 sunt standardizate şase mărci de oţeluri rapide pentru scule, Rp1, Rp2, Rp3, Rp5, Rp9, Rp10. Sunt oţeluri bogat aliate, cu un conţinut ridicat de elemente de aliere: peste 8,5% W şi peste 3,5% Cr. Dintre acestea Rp1 şi Rp2 sunt aliate şi cu cobalt până la 6% Co.

Elementele de aliere formează carburi complexe (Ex. FeW3C) care constituie o frână puternică în calea descompunerii martensitei de călire. Ex. Oţelurile aliate cu wolfram şi cobalt au temperatura de descompunere a martensitei circa 670°C, în timp ce oţelurile rapide care nu conţin au termostabilitatea mai redusă 615-630°C. Din această cauză oţelurile cu cobalt se numesc oţeluri rapide de productivitate mărită (superrapide) iar cele fără cobalt oţeluri rapide.

Rp3 – 0,7-0,8%C; 3,6-4,4%Cr; 17,5-19,5% W; 1,0-1,4% V; 0,6% Mo.Cea mai largă utilizare o are oţelul Rp3, care este uşor prelucrabil prin aşchiere şi

rectificare, prezintă o tenacitate mai ridicată decât a oţelurilor cu cobalt, este mai puţin sensibil la supraîncălziri, este mai economic şi permite folosirea unor viteze de aşchiere obişnuite de 30-40 m/min. Rp5 cu (6-7)% W este mai ieftin.

Se recomandă pentru scule de finisare, complicate care necesită tăiţuri fine şi ascuţite precum şi pentru scule cu viteze mici de aşchiere: alezoare, cuţite disc şi prismatice profilate, broşe, scule de danturare (prin copiere şi prin rulare), freze profilate, scule combinate etc.

Tratamnetul termic al oţelurilor rapide este complicat având în vedere termoconductibilitatea scăzută datorată cantităţii mari de aliere. Se recomandă încălzirea în trepte cu viteze de încălzire diferenţiate. Se face o preîncălzire până la 500-550°C cu viteză mică de încălzire, apoi o încălzire până la 850-900°C, urmată de încălzirea finală (în băi de săruri topite) la temperatura de 1260-1280°C.

Temperatura ridicată pentru călire este necesară pentru dizolvarea parţială în austenită a carburilor elementelor de aliere.

2. Carburile metalice

2


Plăcuţele de carburi metalice, folosite la construcţia sculelor aşchietoare, se obţin prin sinterizarea la temperaturi înalte şi presiuni mari, a pulberilor de carburi de wolfram, titan, tantal, niobiu etc, cimentate (legate) cu ajutorul unui liant (cobalt sau nichel).

Ca materii prime se folosesc oxizii elementelor respective care se reduc la metalul pur în cuptoare electrice. Pulberile de carburi se amestecă cu pulberi de liant (Co, Ni) iar după adăugarea unui plastifiant se presează în matriţe la 1000....4000 daN/mm2 şi se supun unei presinterizări la 900-1100°. Plăcuţele se ajustează, apoi se sinterizează definitiv, în atmosferă reducătoare sau în vid, la 1400-1500°C. Are loc o solubilizare parţială a carburilor precum şi topirea particulelor de liant care leagă pulberile de carburi.

Sculele prevăzute cu plăcuţe din carburi metalice pot lucra cu viteze de aşchiere mari (100-150 m/min) şi pot aşchia aliaje deosebit de dure sau greu prelucrabile, având o stabilitate termică ridicată (800-900°C). Plăcuţele din carburi metalice sunt caracterizate prin duritate foarte mare (85-92 HRA), dar, în schimb sunt fragile (σr = 50-100 daN/mm2, σînc =130-150 daN/mm2, KCU2 = 0,1 daJ/cm2). Ca urmare, se va evita lucrul cu sarcini variabile, vibraţii şi mai ales şocuri sau oprirea lucrului cu scula în aşchie.

În funcţie de compoziţia lor chimică plăcuţele din carburi metalice sunt împărţite după ISO în trei grupe principale de utilizare:

Grupa P, care conţine carburi de volfram şi titan (WC+TiC+Co) şi este destinată prelucrării materialelor metalice cu aşchii lungi de tipul oţelurilor şi fontelor maleabile (P – plastic). Cuprinde următoarel grupe de utilizare:

creşte avansul

P01; P10; P20; P30; P40; P50.creşte viteza

Grupa M conţine carburi de wolfram, titan şi tantal (WC, TiC, TaC+Co) şi este destinată prelucrării unor materiale feroase cu aşchii lungi sau neferoase, cât şi prelucrării materialelor nemetalice (sticlă, marmură, materiale plastice), este destinată unor scopuri multiple (M – multiscop). Cuprinde grupele de utilizare:

creşte avansul

M10; M20; M30; M40.creşte viteza

Grupa K conţine plăcuţele de carburi metalice destinate prelucrării materialelor cu rezistenţă mare la compresiune care prezintă o acţiune abrazivă intensă asupra sculei cât şi pentru operaţii de finisare. Sunt destinate prelucrării fontelor, oţelurilor călite, unor materiale neferoase de tipul bronzurilor şi unor materiale nemetalice (K – casant). Cuprinde grupele:

K01; K10; K20; K30; K40.

În cadrul fiecărei grupe principale P, M şi K, folosirea grupelor de utilizare se face în funcţie de viteza de aşchiere necesară, de valoarea avansului de lucru şi a uniformităţii adaosului de prelucrare. Astfel primele grupe de utilizare, având un conţinut mai redus de liant, au duritate mai mare, în schimb, sunt mai casante şi în consecinţă se vor folosi pentru finisări cu viteze mari, avansuri mai mici şi cu adaosuri uniforme.

Echivalenţa cu plăcuţe de construcţie străină:P10 – în Rusia – T15 K6 (15% TiC; 6% Co; 79% WC);K10 – după GOST – BK6 (6% Co; 94% WC);K40 – după GOST – BK8 (8% Co; 92% WC).

3. Materiale mineralo-ceramice

Materialele mineralo-ceramice se obţin prin sinterizarea sub formă de plăcuţe a unor pulberi de oxizi alcalino-pământoşi de tipul oxidului de aluminiu Al2O3. Plăcuţele mineralo-

3


ceramice au duritatea 95-98 HRA şi o stabilitate termică ridicată (îşi păstrază capacitatea de aşchiere chiar şi la temperaturi de 1200°C). Nefiind metalice, materialele mineralo-ceramice, se caracterizează prin stabilitate chimică la temperaturi mari şi prin lipsa depunerilor pe tăiş. Deşi au rezistenţă bună la compresiune (σrc=170 daN/mm2), rezistenţa mică la tracţiune (σr=7,5 daN/mm2) şi tenacitatea foarte scăzută (KCU2=0,08 daJ/cm2) fac ca aceste plăcuţe să nu pot fi folosite decât prin fixare mecanică. Ca urmare se vor utiliza numai pentru operaţii de semifinisare şi finisare cu adaosuri de prelucrare uniformă.

Principalul dezavantaj al acestor materiale este că nu suportă încălziri bruşte care apar la prelucrarea cu adâncimi de aşchiere mari şi nici şocurile caracteristice prelucrărilor cu adaosuri neuniforme.

Pentru îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice şi aşchietoare se adaugă diferite elemente: W, Mo, V, Ti, Ni etc. În acest fel materialele obţinute au rezistenţa la încovoiere mai ridicată (până la 40-50 daN/mm2), proprietăţile aşchietoare fiind apropiate celor ale carburilor metalice.

Adaosul de metal (Mo sau Ti) sau carburi metalice (WC, TiC, MoC) ridică tenacitatea.Materialele mineralo-ceramice premit prelucrarea cu viteze de aşchiere foarte mari

(1000-2000 m/min).Utilizarea raţională a sculelor armate cu plăcuţe metalo-ceramice impune luarea unor

măsuri:- solicitarea pe cât posibil a tăişului sculei numai la compresie;- evitarea prelucrării pieselor nerigide, deoarece vibraţiile duc la fisurarea plăcuţelor;- evitarea operaţiilor de aşchiere cu şoc (debitări, găuriri, detalonări etc).

4. Diamantul

Diamantul are cea mai mare duritate şi o rezistenţă excepţională la uzură (permite prelucrarea unei lungimi de aşchiere de 2400-3200 km). Datorită stabilităţii termice foarte ridicate (până la 1600-1800°C) permite lucrul cu viteze aşchietoare foarte mari. Are o conductivitate termică foarte bună şi stabilitate dimensională, fapt ce asigură o înaltă precizie de prelucrare.

Diamantele industriale, cu proprietăţi apropiate celor naturale, se utilizează la prelucrarea materialelor neferoase, metalelor uşoare, metalelor preţioase şi maselor plastice.

Uzura diamantelor are loc prin:- difuziune (fiind carbon pur, diamantul are o mare afinitate faţă de anumite metale: Fe,

Cr, Mo, V, W – cu care formează carburi, având loc o difuziune a carbonului în masa metalului prelucrat);

- grafitizare (trecerea de la structura cristalină, dură, la structura amorfă, moale) care are loc la temperatura de 700°.

5. Materiale abrazive

Abrazivii naturali, folosiţi pe scară industrială, sunt cuarţul (SiO2), corindomul, şmirghelul (Al2O3) şi diamantul (C).

Materialele abrazive sintetice cu proprietăţi superioare celor naturale sunt: electrocorindomul, carborundul şi carbura de bor.

Se utilizează sub formă de corpuri abrazive, abrazivi pe suport (de pânză şi hârtie), pulberi.

Corpurile abrazive sunt construite din granule abrazive, liant şi pori.Granulele abrazive se caracterizează prin: natura chimică, mărimea granulei, duritate

(7....9 după Mohs – pentru abrazivi naturali, 9...10 – pentru abrazivi sintetici) şi capacitatea abrazivă.

4


Liantul asigură coeziunea granulelor abrazive. Se utilizează liantul ceramic, bachelita şi vulcanita.

Duritatea corpurilor abrazive reprezintă rezistenţa complexului abraziv-liant la tendinţa de desprindere a granulelor abrazive de pe suprafaţa corpului, sub acţiunea forţelor de aşchiere.

Grupele de duritate după STAS 1469-68:Grupa de duritate

Foarte moale Moale Mijlocie Tare Foarte tare Extra tare

Gradul de duritate E, F, G H, I, J, K L, M, N, O P, Q, R, S T, U, V, (W) (X), (Y), (Z)

Ţinând seama de capacitatea de aşchiere a diferitelor materiale de scule se dă o diagramă de folosire în funcţie de valorile avansului şi ale vitezei de aşchiere.

Fig. 5.1. Domeniile de folosire a materialelor de sculeîn funcţie de viteza şi avansul de lucru

5

curs 5 psa final

Documents