Introduzione: durezza materiale nelle operazioni di allevamento

La ricerca di un prodotto è un processo di lavorazione ad alta produttività utilizzato per produrre contorni interni o esterni precisi in un unico passaggio. Lo strumento - un broach - è costituito da una serie di denti di taglio progressivamente più elevati che rimuoveno il materiale sequenzialiamente. Mentre molti fattori influiscono sul successo di broaching, la durezza del materiale del pezzo è tra i più critici.

La navigazione avviene in settori quali chiavi, spline, denti di ingranaggi e rifling, il costo di una brocca è alto, rendendo la vita degli utensili e l'affidabilità fondamentale. Capire l'interazione tra durezza del pezzo e attributi degli utensili consente decisioni informate che riducono i costi per parte e migliorano il throughput.

Capire la durezza del materiale: scale e misura

La durezza è definita come resistenza del materiale alla deformazione della plastica localizzata, all’indentazione o alla graffiatura. Esistono diverse scale standardizzate, ognuna con specifiche indentazioni e carichi. I tre più comuni nella lavorazione dei metalli sono Rockwell, Brinell e Vickers.

Hardness Rockwell (HR)

Il test Rockwell utilizza un cono di diamanti o un indentatore di sfere in acciaio. La profondità di penetrazione sotto un carico minimo preliminare e poi un carico importante è misurata. Le scale includono HRC (cono di diamond per acciai induriti, range ~20–70 HRC), HRB (la sfera di acciaio per materiali più morbidi, gamma ~20–100 HRB), e HRA (il cono didiamond per la maggior parte dei materiali sottili o molto duri).

Durezza Brinell (HB)

Brinell utilizza una sfera in acciaio o metallo duro di un dato diametro (tipicamente 10 mm) indentata con un carico (solitamente 3000 kgf per metalli). Il diametro dell'impressione è misurato. Brinell è adatto per materiali grezzi o eterogenei come getti. I valori variano da ~80 HB per rame morbido a oltre 600 HB per acciaio grezzo completamente indurito.

Vicari durezza (HV)

Vickers utilizza un indentatore a piramide di diamante e un carico che può variare da 1 a 120 kgf. Produce una scala continua ed è ideale per sezioni sottili, rivestimenti o materiali molto duri. I valori Vickers sono comuni nella ricerca e per utensili in metallo duro o ceramica. Ad esempio, i consigli per utensili in metallo duro cementato hanno durezza di 1400–1800 HV, mentre il nitride boro cubico (CBN) supera i 4000 HV.

La comprensione di queste scale è essenziale perché le raccomandazioni del materiale degli strumenti spesso specificano la durezza del pezzo in HRC, HV o HB. Le tabelle di conversione sono disponibili, ma la misurazione diretta è preferibile per le operazioni critiche.

Impatto di durezza del materiale su selezione dello strumento di collegamento

Il materiale per utensili deve resistere alle forze di taglio, all'abrasione e ai carichi termici imposti dal pezzo. I pezzi più resistenti richiedono materiali per utensili ancora più difficili e resistenti all'usura. Tuttavia, la durezza da sola è insufficiente; anche la resistenza, la chimica e la stabilità termica sono importanti.

Strumenti in acciaio ad alta velocità (HSS)

HSS (ad esempio, M2, M42) ha durezza di 60–67 HRC a temperatura ambiente, mantenendo la durezza calda fino a ~600°C (M42 fornisce una maggiore durezza calda a causa di cobalto).

  • Leghe di alluminio (40–80 HB, ~10–20 HRC)
  • Ottone e bronzo (60–100 HB, ~10–30 HRC)
  • Acciaio dolce (100–180 HB, ~10–20 HRC)
  • Acciaio a basso tenore di carbonio e alcuni acciai inossidabili (annealati)

Gli utensili HSS eccellere dove è necessaria un'elevata resistenza per resistere alla scheggiatura da tagli interrotti (ad esempio, sezioni di ruggine di una brocca), ma sono anche più facili da ri-sarmo rispetto ai materiali più difficili. Tuttavia, per i pezzi superiori a 35 HRC, l'usura HSS accelera rapidamente, portando a una bassa stabilità dimensionale e una breve durata degli utensili.

Strumenti di carburo e tungsteno

Il carburo cementato (WC-Co) ha durezza 68–80 HRC (tipicamente ~1400–1800 HV) e offre una resistenza all'usura eccezionale e una resistenza alla compressione.

  • acciai per utensili temprati (45–60 HRC)
  • acciai in lega ad alta resistenza (35–50 HRC)
  • Acciaio inossidabile in condizioni indurite
  • Ghisa (200-400 HB)
  • Superlloys a base di nichel (ad esempio, Inconel, ~35–45 HRC)

Il carburo è fragile rispetto all'HSS; quindi la geometria degli utensili deve essere robusta (radii di bordo più grandi, profili dente più forti). I bronchi di carburo sono spesso utilizzati in ambienti produttivi con macchine ad alto volume e stabili.

Strumenti di ceramica e di Cermet

Ceramiche (Al2O3, Si3N4) hanno durezza 1800–2000 HV e ottima durezza calda fino a 1200°C. Sono adatti per materiali estremamente duri (sopra 55 HRC) e finitura ad alta velocità. Tuttavia, la ceramica è estremamente fragile e non tipicamente utilizzata per i tagli intermittenti di broaching tranne in applicazioni specializzate (ad esempio, finitura di un foro pre-formato molto duro).

Strumenti Superabrasivi: Nitro di Borone Cubico (CBN) e Diamante Policristallina (PCD)

CBN è seconda solo a diamante in durezza (4000–5000 HV) ed è termicamente stabile fino a ~1200°C. È il materiale di strumento preferito per la brocciatura di acciaio temprato (58–68 HRC) e materiali di metallurgia della polvere.

Considerazioni di performance attraverso intervalli di durezza

Una volta selezionato il materiale utensile, le prestazioni sono dettate da parametri di taglio, geometria degli utensili, refrigerante e condizione della macchina.

Velocità di taglio e velocità di avanzamento

Per i materiali morbidi, sono possibili elevate velocità di taglio (15-30 m/min per HSS su alluminio) e mangimi moderati. Come aumenta la durezza, la velocità deve diminuire per gestire l'usura del calore e degli utensili. Una linea guida generale: per ogni 10 HRC aumentare sopra i 30 HRC, ridurre la velocità di taglio del 10-15%. Ad esempio, una brocca di carburo su acciaio 50 HRC potrebbe funzionare a 3-6 m/min, mentre su denttina più durata inferiore a 60 m/min.

La vita degli strumenti e i meccanismi di usura

I pezzi più resistenti causano un'usura più abrasione e attrito. L'usura del cratere da diffusione e da ammorbidimento termico diventa significativa. La vita della brocca viene misurata in numero di parti o in lunghezza totale accovagliata. Per HSS su materiali morbidi, la vita può essere di 10.000-100.000 pezzi; per il carburo su materiali duri, 1.000–10.000 pezzi; per CBN su acciaio molto duro, 5000–50.000 pezzi a seconda delle condizioni.

Finitura superficiale e precisione dimensionale

I materiali morbidi e gommosi (ad esempio, acciaio a basso tenore di carbonio) tendono a formare chip lunghi e possono causare l'accumulo di bordi, degradando la finitura superficiale. I materiali più resistenti producono chip più corti, segmentati, ma richiedono bordi più taglienti e configurazioni più rigide per evitare il chatter.

Regolazioni di geometria degli utensili

I parametri di progettazione della griglia – angolo di rastrellamento, angolo di sdoganamento, passo, aumento del dente (passo per dente), e larghezza del terreno – sono regolati in base alla durezza del pezzo:

  • Angolo di scatto:[[] I materiali più morbidi tollerano angoli di rastrello positivi più alti (10°–15°) per ridurre le forze di taglio. I materiali più resistenti richiedono angoli di rastrello più bassi o addirittura negativi (0°–5°) per rafforzare il bordo di taglio.
  • Angolo di pulizia:[ Normalmente 1°–3°. I materiali più resistenti possono usare una minore distanza per ridurre la scheggiatura del bordo.
  • Pitch e step:[ I materiali più resistenti hanno bisogno di un passo più breve e di un aumento dei denti più piccolo (0.02–0.05 mm per dente) per limitare il carico del chip e prevenire la rottura dei denti.
  • La preparazione della cuneo:[] L'avvolgimento o la smussatura del bordo migliora la resistenza del bordo; questo è essenziale per gli utensili in metallo duro e ceramica su pezzi duri.

Rivestimenti e trattamenti superficiali

I rivestimenti degli utensili riducono l'attrito, aumentano la durezza superficiale, forniscono barriere termiche e riducono l'affinità chimica.

  • TiN (Titanium Nitride):[ Durezza ~2300 HV, buono per acciaio di uso generale (fino a ~45 HRC). Basso coefficiente di attrito (0.4–0.6).
  • TiAlN (Titanium Alluminio Nitride): Durezza ~3300 HV, ottima durezza calda fino a 900°C. Ideale per una maggiore durezza e lavorazione a secco o a secco.
  • AlCrN (Niguro di cromo in alluminio):[ Durezza ~3200 HV, resistenza di ossidazione superiore a 1100°C. Efficace per acciai induriti e acciai inossidabili.
  • TiCN (Titanium Carbonitride):[ Durezza ~3000 HV, basso attrito, utilizzato per condizioni abrasive.
  • DLC (Diamond-Like Carbon):[ Molto basso attrito (0.1-0.2), ma limitato a leghe non ferrose o specifiche a causa della reattività chimica con il ferro.

La scelta del rivestimento deve corrispondere alla durezza del materiale di lavoro e al regime di broccatura. Ad esempio, i brocchi di carburo rivestito TiAlN sono comuni per gli acciai da 50–58 HRC. Per 60 HRC e oltre, CBN (sia brasati che come rivestimento) è più efficace.

Case study: Broaching Hardened Steel Spline

Un produttore produceva una splina interna di 54 tonnellate in acciaio AISI 4340 indurita a 42–46 HRC. Inizialmente, i brocchi HSS (M42) hanno dato una vita media di 200 parti per affilare, con frequenti chipping dei denti e ustioni di superficie. La velocità di taglio era di 4 m/min con un refrigerante a base d'acqua.

Raccomandazioni pratiche per la selezione degli strumenti basate sulla durezza

  1. Per i pezzi sotto i 30 HRC (o [<300 HB):] Utilizzare HSS (M2, M42) con rivestimento TiN. Ottimizzare per l'evacuazione ad alta velocità e chip.
  2. Per i pezzi 30–45 HRC (300–450 HB):[] HSS con rivestimento TiAlN può funzionare, ma il carburo (con TiAlN o AlCrN) è più affidabile per la produzione di volume.
  3. Per i pezzi 45–55 HRC (450–600 HB):[ Il carburo è standard; considerare CBN per tolleranze molto elevate o lunghe corse.
  4. Per i pezzi superiori a 55 HRC ( > 600 HB): Sono consigliati i brocchi CBN di assunzione/strong>. Utilizzare basse velocità (±3 m/min) e refrigerante ad alta pressione (60–100 bar).
  5. Per materiali abrasivi non ferrosi (alluminio ad alto contenuto di silicio, MMCs): Gli strumenti PCD (o diamante CVD) forniscono la migliore vita, ma evitano i pezzi ferrosi per evitare l'usura chimica.

Il ruolo della macchina Rigidità e Condizione

Le macchine per la movimentazione devono essere rigide e in grado di mantenere velocità e spinta costanti. I materiali più resistenti aumentano le forze di taglio, che possono causare vibrazioni, deflettori o flex del telaio della macchina. Le macchine per la perforazione idraulica sono comuni per applicazioni ad alta resistenza. Assicurarsi che la forza massima di trazione della macchina (di solito 5–50 tonnellate) non sia superata.

Considerazioni economiche

Il costo degli utensili aumenta significativamente con la capacità di durezza: i bronchi HSS costano $500–$2000; i brocchi di carburo $1500–$5000; i bronchi CBN $3000–$15,000. Tuttavia, il costo totale per parte dipende dalla vita degli utensili, dalla frequenza di ri-sharpening, dal downtime e dai tassi di rottami.

Tendenze future

Proseguono gli avanzamenti nei materiali e nei rivestimenti degli utensili. I rivestimenti a strati, i disegni multistrato e i nuovi gradi in metallo duro senza legare mettono i confini della durezza e della durezza. La simulazione di processo assistita da AI prevede ora una durezza e una geometria ottimali degli utensili in base alla caratterizzazione dei pezzi di lavoro. La tendenza verso la separazione a secco o a distanza con la lubrificazione minima (MQL) sta guadagnando trazione per materiali duri, aiutati da super duri.

Conclusioni

[Scelta di materiale per la lavorazione di utensili [SQ] [SQ] per leghe morbide a CBN per gli acciai induriti, la scelta del materiale di utensili determina la velocità, la durata degli utensili e la qualità.

In definitiva, l'influenza della durezza materiale non è una semplice variabile tecnica, è la pietra angolare del successo di broaching. Investire il tempo per misurare con precisione la durezza, consultare i fornitori di strumenti e eseguire prove controllate. Il payoff è un processo robusto e ripetibile che offre parti di precisione con la massima durata degli utensili.