10. Υλικά κοπτικών εργαλείων

10. Υλικά κοπτικών εργαλείων Διακρίνονται σε έξι κατηγορίες : ανθρακούχοι χάλυβες με μικρές προσμίξεις που δεν χρησιμοποιούνται πλέον σοβαρά, ταχυχάλυβες, σκληρομέταλλα, κεραμικά, CBN και διαμάντι. Ταχυχάλυβες Πρόκειται για χάλυβες ισχυρά κραματωμένους που βάφονται σε λάδι σε στενά ελεγχόμενες συνθήκες. Διατηρούν σκληρότητα, αντοχή και oξύτητα κοπτικής ακμής σε υψηλές θερμοκρασίες άρα και σε υψηλές ταχύτητες κοπής, εξ ού και το πρώτο συνθετικό του ονόματος τους. Υπάρχουν δύο κύρια είδη ταχυχαλύβων : βολφραμίου W (τύπος Τ), με περιεκτικότητα 12-20%, καθώς και Cr, V, Co ως άλλα κύρια κραματικά στοιχεία. μολυβδαινίου Mo (τύπος Μ), με περιεκτικότητα 3.5-10%, καθώς και Cr, V, W, Co ως άλλα κύρια κραματικά στοιχεία. Ο τύπος Μ έχει καλύτερη αντιτριβική συμπεριφορά από τον τύπο Τ, μικρότερη παραμόρφωση σε θερμικές κατεργασίες και είναι φθηνότερος. Έτσι καλύπτει πάνω από 80% της παραγωγής ταχυχαλύβων. Μερικές από τις ιδιότητες των κραματικών στοιχείων είναι οι παρακάτω : Το W σε ποσοστό μέχρι 2% ισχυροποιεί τη μήτρα λόγω της τάσης του για μερική διάλυση στο φερίτη και μερικό σχηματισμό καρβιδίων, οπότε αυξάνει τη σκληρότητα. Σε ποσοστό μέχρι 20% δίνει μέγιστη αντοχή στην μαλάκυνση σε αυξημένη θερμοκρασία σε συνδυασμό με το Cr σε συγκεκριμένες αναλογίες. Το Cr σχηματίζει το σταθερότερο καρβίδιο από όλα τα κραματικά στοιχεία και έτσι αυξάνει τη σκληρότητα. Εκλεπτύνει τη δομή των κόκων και αυξάνει τη θερμοκρασία βαφής. Το Co αυξάνει την θερμή σκληρότητα του υλικού, αλλά και τη θερμοκρασία βαφής. Το Mo αυξάνει την εμβαπτότητα οτυ χάλυβα και τη μεγιστοποιεί σε συνδυασμό με Cr. Το V είναι ιδιαίτερα χρήσιμο ως «ενισχυτικό» των επιμέρους ιδιοτήτων των άλλων στοιχείων και για την εκλέπτυνση των κόκων. Από άποψη ιδιοτήτων μπορεί να διακρίνει κανέις τρείς κύριες κατηγορίες ταχυχαλύβων : Κανονικής χρήσης. Έχουν μέτρια θερμή σκληρότητα και μέση δυσθραυστότητα και σκληρότητα. Χρησιμοποιούνται σε σχετικά ήπιες συνθήκες κοπής. Ταχείας κοπής. Έχουν υψηλή θερμή σκληρότητα λόγω υψηλού ποσοστού Co και σκληρότητα σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά χαμηλή δυσθρυστότητα. Χρησιμοποιείται σε υψηλές ταχύτητες μη διακοπτόμενης κοπής. Σκληρής κοπής. Έχουν πολύ υψηλή σκληρότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Χρησιμοποιούνται για υψηλής αντοχής κατεργάσιμα υλικά πχ στην αεροπορική βιομηχανία. Γενικά οι ταχυχάλυβες, λόγω της καλής τους δυσθραυστότητας και αντοχής ενδείκνυνται για χρήση σε διακοπτόμενες κοπές και για εργαλειομηχανές χαμηλής στιβαρότητας. Ταχυχάλυβες κατασκευάζονται με σύντηξη και για καλύτερη ομοιογένεια με κονιομεταλλουργία. Γ. Βοσνιάκος, 2000

Υλικά κοπτικών εργαλείων 2 Επικαλυμένοι ταχυχάλυβες με στρώμα TiC ή TiN με τεχνικές φυσικής απόθεσης ατμού έχουν βελτιωμένες ιδιότητες έναντι των απλών. Επικάλυψη TiN σε ταχυχάλυβες τους προσδίδει χαρακτηριστικό κίτρινο-χρυσό χρώμα. Σκληρομέταλλα Αποτελούνται από καρβίδια και ένα συνδετικό υλικό. Έχουν υψηλή σκληρότητα, μέτρο ελαστικότητας και θερμική αγωγιμότητα καθώς και χαμηλό συντελεστή διαστολής και μάλιστα σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, πράγμα που τα καθιστά ιδιαίτερα σημαντικά. Διακρίνονται σε τρείς κατηγορίες : Καρβίδιο βολφραμίου (WC) με κοβάλτιο ως συνδετικό. Χρησιμοποιείται για την κοπή μη σιδηρούχων υλικών με αποτριπτικές ιδιότητες, χυτοσιδήρων και μη μεταλλικών υλικών. Αύξηση της περιεκτικότητας σε κοβάλτιο εις βάρος τγης σκληρής φάσης WC αυξάνει τη δυσθραυστότητα. Άλλα σκληρομέταλλα WC με προσθήκη TiC, TaC και NbC χρησιμοποιούνται για κατεργασία χαλύβων λόγω βελτιωμένης θερμής σκληρότητας και μειωμένης φθοράς κρατήρα. Καρβίδιο τιτανίου (TiC) με συνδετικό νικέλιο και μολυβδαίνιο. Αυτό έχει μεγαλύτερη αντοχή στη φθορά από το WC αλλά μικρότερη δυσθραυστότητα. Ενδείκνυται για κοπή σκληρών χαλύβων και χυτοσιδήρων σε υψηλές ταχύτητες. Επικαλυμμένα καρβίδια WC με στρώμα 5-9 μm TiC, TiN ή Al 2 O 3. Η σύγχρονη τάση είναι πολυ-στρωματικές επικαλύψεις. Η επικάλυψη TiC είναι αποτελεσματική έναντι της αποτριπτικής φθοράς, ενώ η επικάλυψη TiN αποτρέπει φαινόμενα συγκόλλησης στη διεπιφάνεια εργαλείου αποβλήτου, αλλά δρά σωστά μόνο σε μεγάλες ταχύτητες κοπής. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου μπορεί να είναι ακόμη και 5-πλάσια έναντι του μη επικαλυμένου υλικού. Η επικάλυψη με Al 2 O 3 ευνοεί τις υψηλές ταχύτητες και προώσεις λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας του που του προσδίδει ιδιότητες θερμικού «εμποδίου». Τα σκληρομέταλλα διατίθενται σε «ένθετα πλακίδια» (παλαιότερα : «επικολλημένα» πλακίδια) σε διάφορα σχήματα, τυπικά, και σε σειρά αύξουσας αντοχής : τριγωνικά, παραλληλόγραμμα, τετραγωνικά και κυκλικά με 6, 8, 8 και 2 κοπτικές ακμές αντίστοιχα οι οποίες αποκαλύπτονται με αλλαγή της θέσης στερέωσης του πλακιδίου στον εργαλειοδέτη. Για την αύξηση της αντοχής της κοπτικής ακμής χρησιμοποιούνται ακτίνες καμπυλότητας τυπικά 0.025 mm. Για την εκμετάλλευση των σκληρομετάλλων απαιτούνται υψηλές προώσεις και ταχύτητες, απουσία κραδασμών και στιβαρές εργλαειομηχανέ;. Υγρά κοπής γενικά δεν εφαρμόζονται αλλά, εάν χρησιμοποιηθούν, απαιτούνται σε μεγάλη ποσότητα για την αποφυγή θέρμανσης και απότομης ψύξης του εργαλείου σε διακοπτόμενη κοπή. Τα επικαλυμμένα σκληρομέταλλα δεν αποτελούν πανάκεια. Για παράδειγμα ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες και κράματα Ni, όπως και διακοπτόμενη κοπή δεν αντιμετωπίζονται πάντα επιτυχώς. Η πρόσφυση των επιστρωμάτων στο υπόστρωμα αποτελεί σε κάποιες περιπτώσεις ακόμη προβλημα.

Υλικά κοπτικών εργαλείων 3 Τα σκληρομέταλλα κατασκευάζονται τυπικά με κονιομεταλλουργία. Σκόνη W, C, Co κλπ αναμειγνύεται και υφίσταται συμπίεση σε μεγάλες πρέσσες και πυροσσυσσωμάτωση (με θέρμανση στους 1000 C) και στη συνέχεια δεύτερη συμπίεση για πρόσδοση της τελικής γεωμετρικής μορφής του πλακιδίου, συνοδευόμενη από θέρμανση στους 1800 C για τη μείωση του πορώδους. Κατηγοριοποίηση σκληρομετάλλων κατά ISO Διακρίνονται τρείς κύριες κατηγορίες που συμβολίζονται με τα γράμματα P, M και Κ και με αντίστοιχα χρώματα μπλέ, κίτρινο και κόκκινο, βλ. παρακάτω πίνακα : Κατηγορία Υλικό τεμαχίου Χρήση και συνθήκες κοπής Ρ01 Χάλυβας, χυτοχάλυβας Αποπεράτωση τόρνευση-boring, υψηλές ταχύτητες κοπής, μικρή διατομή αποβλήτου, ακρίβεια διαστάσεων, έλλειψη κραδασμών Ρ10 Χάλυβας, χυτοχάλυβας Τόρνευση, φρεζάρισμα, σπειροτόμηση, υψηλές ταχύτητες κοπής, μικρή έως μέση διατομή αποβλήτου Ρ20 Χάλυβας, χυτοχάλυβας, μαλακτός χυτοσίδηρος με μακρύ απόβλητο Τόρνευση, φρεζάρισμα, σπειροτόμηση, μέσες ταχύτητες κοπής, μέση διατομή αποβλήτου Πλάνιση μικρής διατομής αποβλήτου Ρ30 Χάλυβας, χυτοχάλυβας, μαλακτός χυτοσίδηρος με μακρύ απόβλητο Τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνιση, μικρές έως μέσες ταχύτητες κοπής, μέση /μεγάλη διατομή αποβλήτου δύσκολες συνθήκες* Ρ40 Χάλυβας, χυτοχάλυβας με πόρους και εγκλείσματα άμμου Τόρνευση, πλάνιση, αυλάκωση με χαμηλές ταχύτητες, μεγάλες διατομές αποβλήτου, μεγάλες γωνίες κοπής, αυτόματες μηχανές Ρ50 Χάλυβας, χυτοχάλυβας έως μέσης αντοχής με πόρους/εγκλείσματα. Περιπτώσεις μεγάλης αντοχής σκληρομετάλλου και δύσκολες συνθήκες, μεγάλες διατομές αποβλήτου, χαμηλές ταχύτητες. Μ10 Χάλυβας, χυτο- και μαγγανιούχος χάλυβας, φαιός/κραμ. χυτοσίδηρος Τόρνευση, μέσες έως υψηλές ταχύτητες, μικρή έως μέση διατομή αποβλήτου Μ20 Χάλυβας, ωστενιτικός μαγγανιούχος Τόνρευση, φρεζάρισμα. Μέσες ταχύτητες και διατομή χάλυβας, φαιός χυτοσίδηρος αποβλήτου Μ30 Όπως Μ20 αλλά και κράματα υψηλής θερμικής αντοχής Τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνιση. Μέσες ταχύτητες κοπής και μέση έως μεγάλη διατομή αποβλήτου. Μ40 Χάλυβας, χαμηλής αντοχής, μη Τόρνευση, αποκοπή κυρίως σε αυτόματες εργαλειομηχανές. σιδηρούχα και ελαφρά κράματα, Κ01 Σκληρότατος φαιός χυτοσίδηρος, Τόρνευση, αποπεράτωση σε τόρνο, boring, φρεζάρισμα, σκληρά χυτά >85 Shore, κράματα Al με υψηλό Si, βαμένος χάλυβας, κεραμικά, σκληρό χαρτόνι, αποτριπτικά πλαστικά. Κ10 Όπως Κ01 και μαλακτός Τόρνευση, φρεζάρισμα, διάτρηση, boring, αυλάκωση χυτοσίδηρος με κοντό απόβλητο, κράματα χαλκού, γυαλί, σκληρό Κ20 ελαστικό, πορσελάνη, πέτρα. Φαιός χυτοσίδηρος <220ΗΒ, μη σιδητούχα μέταλα, χαλκός, ορείχαλκος, αλουμίνιο. Κ30 Φαιός χυτοσίδηρος χαμηλής σκληρότητας, χαμηλής αντοχής χάλυβας, πεπιεσμένο ξύλο Τόρνευση, φρεζάρισμα, διάτρηση, boring, αυλάκωση, πλάνιση με απαιτήσεις μεγάλης αντοχής σκληρομετάλλου. Τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνιση, αυλάκωση με μεγάλες γωνίες κοπής, δύσκολες συνθήκες Κ40 Μαλακό ξύλο και σκληρό ξύλο, μη σιδηρούχα μέταλα Τόρνευση, φρεζάρισμα, πλάνιση, αυλάκωση με μεγάλες γωνίες κοπής, δύσκολες συνθήκες Στον παραπάνω πίνακα δύσκολες συνθήκες κοπής θεωρούνται αυτές όπου η πρώτη ύλη ή ημικατεργασμένα τεμάχια έχουν σχήμα δύσκολο να κατεργασθεί, όπου στο τεμάχιο υπάρχει επιφανειακό στρώμα προερχόμενο από χύτευση ή σφυρηλάτηση, όπου η σκληρότητα μεταβάλλεται, το βάθος κοπής μεταβάλλεται, η κοπή είναι διακοπτόμενη, υφίστανται κραδασμοί ή κίνδυνος ταλαντώσεων. Η κατηγορία Ρ αντιστοιχεί σε σιδηρούχα μέταλλα με μακρύ (συνεχές) απόβλητο. Υποδιαιρείται σε 6 υπο-κατηγορίες Που ουσιαστικά αναφέρονται στην κοπή χάλυβα, με χρήση και συνθήκες καθορισμένες. Η υπο-κατηγορία Ρ01 αντιστοιχεί στην κατεργασία με τη μέγιστη ταχύτητα και τη μικρότερη πρόωση, όπου απαιτούνται μεγάλη αντοχή στη φθορά και μικρή σχετικά δυσθραυστότητα. Η υπο-κατηγορία Ρ50 αντιστοιχεί στον ακριβώς

Υλικά κοπτικών εργαλείων 4 αντίστροφο συνδυασμό. Είναι δυνατή και η χρήση ενδιάμεσων υπο-κατηγοριώνπχ Ρ05 και Ρ15. Η κατηγορία Μ αντιστοιχεί σε σιδηρούχα μέταλλα με μακρύ ή κοντό απόβλητο καθώς και σε μη σιδηρούχα μέταλλα. Ορίζονται 4 υπο-κατηγορίες και σπάνια χρησιμοποιούνται ενδιάμεσες υπο-κατηγορίες. Η αντιστοιχία των συνθηκών κοπής είναι παρόμοια με αυτή για την κατηγορία Ρ. Η κατηγορία Κ αντιστοιχεί σε σιδηρούχα μέταλλα με κοντό απόβλητο, σε μη σιδηρούχα μέταλλα και σε μη μεταλλικά υλικά. Ορίζονται 5 υπο-κατηγορίες και χρησιμοποιούνται και ενδιάμεσες. Η αντιστοιχία των συνθηκών κοπής είναι παρόμοια με αυτή για τις άλλες κατηγορίες. Τυπικές συνθέσεις σκληρομετάλλου είναι : P10 : 55% WC, 36% TiC+TaC, 9% Co M20 : 82% WC, 10% TiC+TaC, 8% Co K20 : 91.5% WC, 2.5% TiC+TaC, 6% Co Τυπικές επιλογές πλακιδίων για διάφορα υλικά είανι οι ακόλουθες : Τεμάχιο Εργαλείο V 240 (m/min) Χάλυβας ενανθράκωσης (σ Β =500-700 Mpa) P10 110-140 P20 100-130 P30 70-100 SS 30-45 Χυτοσίδηρος GG18 K10 60-90 SS 20-25 Χυτοσίδηρος GG26 K10 40-50 SS 15-20 Χαλκός Κ20 350-450 SS 30-50 Μπρούντζος K20 300-400 SS 35-50 Κράμα αλουμινίου K20 200-500 SS 30-60 Κράμα Al-Si K20 100-160 SS 20-50 Κεραμικά Τυπικά αποτελούνται από σχεδόν 100% σκληρή φάση όπως Al 2 O 3. σε μορφή ιδιαίτερα λεπτόκοκκων σωματιδίων με μικρές προσθήκες, πχ TiC, για βελτιστοποίηση ιδιοτήτων. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν και τα βορίδια καθώς και τα cermet (τυπικά 70% Al 2 O 3 και 30% TiC). Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η αντοχή τους στη φθορά και η υψηλή τους σκληρότητα καθώς και η χημική τους αδράνεια σε σχέση με τα υλικά κατεργάσιμων τεμαχίων. Όμως έχουν και ένα μεγάλο μειονέκτημα : πολύ μικρή αντοχή και δυσθραυστότητα και έτσι είναι επιρρεπή σε καταστροφική θραύση. Διατίθενται σε μορφή πλακιδίων όπως τα σκληρομέταλλα και χρησιμοποιούνται σε πολύ υψηλές ταχύτητες μη διακοπτόμενης κοπής χωρίς υγρά κοπής

Υλικά κοπτικών εργαλείων 5 για την αποφυγή θερμικού σόκ. Για την αποφυγή αποκολλήσεων και αποφλοιώσεων χρησιμοποιούνται αρνητικές γωνίες αποβλήτου καθώς και εργαλειομηχανές υψηλής στιβαρότητας και ακρίβειας. SiN και Sialons χρησιμοποιούνται με πολύ καλά αποτελέσματα για κοπή χυτοσιδήρου και αεροπορικών κραμάτων. Σημειώνεται ότι τα κεραμικά εργαλεία είναι ακριβότερα των σκληρομετάλλων και φθείρονται γρηγορότερα σε χαμηλές ταχύτητες κοπής. Κυβικός βοριο-νιτρίτης (CBN) Πρόκειται για το σκληρότερο υλικό μετά το διαμάντι. Το εργαλείο αποτελείται από υπόστρωμα καρβιδίου που δίνει αντοχή σε «δυναμικές» φορτίσεις και επίστρωμα πολυκρυσταλλικού CBN, που δίνει αντοχή στη φθορά και σκληρότητα. Είναι χημικά αδρανές υλικό ως προς τον σίδηρο και το νικέλιο σε υψηλές θερμοκρασίες, αντίθετα με το διαμάντι. Έχει επίσης αντοχή στην οξείδωση. Είναι, λοιπόν, πολύ κατάλληλο για κοπή σκληρημένων σιδηρούχων και υψηλής θερμοκρασίας κραμάτων. Διαμάντι Έχει υψηλότατη σκληρότητα, υψηλή αντοχή στη φθορά, χαμηλό συντελεστή τριβής και θερμικής διαστολής, υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Χρησιμοποιείται σε κατεργασίες αποπεράτωσης για εξαιρετική ποιότητα επιφάνειας και ακρίβεια. Χρησιμοποιείται σχεδόν σε κάθε ταχύτητα κοπής, αλλά σε συνθήκες που προσιδιάζουν στην ψαθυρότητα του. Σε μονοκρυσταλλικό υλικό παίζει μεγάλο ρόλο ο προσανατολισμός του κρυστάλλου, αλλά σε πολυκρυσταλλικό συνθετικό διαμάντι η τυχαιότητα κατανομής διευθύνσεων εμποδίζει τη διάδοση ρωγμών και τις μικρο-αποκολλήσεις. Το συνθετικό διαμάντι (στρώμα πάχους έως 1 mm) σε υπόστρωμα σκληρομετάλλου χρησιμοποιείται κυρίως για μη σιδηρούχα κράματα, τυπικά κράματα Al-Si, WC, κεραμικά, πορσελάνη, ενισχυμένα με υαλονήματα πλαστικά κλπ. Βιβλιογραφία 1. S. Kalpakjan : Manufacturing Processes for Engineering Materials, Addison-Wesley, 1984. 2. American Society for Metals : Machining Handbook (Vol.16), 1997.