Progressi nella lavorazione di leghe dure tramite lavorazione a ultrasuoni

Nel regno della produzione di precisione, alcuni materiali presentano sfide formidabili agli ingegneri. Il carburo di tungsteno, noto anche come carburo cementato, si distingue come una di queste "noci dure da rompere". Questa lega composta da tungsteno e carburi è diventata indispensabile per utensili da taglio e componenti resistenti all'usura grazie alla sua eccezionale durezza, resistenza all'usura e stabilità termica. Eppure, queste stesse proprietà creano significative difficoltà di lavorazione, dove i metodi convenzionali si dimostrano inadeguati mentre le tecniche specializzate lottano con inefficienza e rapida usura degli utensili.

Le eccezionali proprietà del carburo di tungsteno - da 2 a 3 volte più duro dell'acciaio con un valore di durezza Mohs di 8,5-9 - lo rendono superiore alla maggior parte dei materiali metallici. La sua stabilità chimica rimane inalterata anche ad alte temperature e in condizioni difficili, rendendolo ideale per utensili da taglio e componenti ad alta usura in applicazioni di lavorazione dei metalli, estrazione mineraria, formatura dei metalli e lame per seghe.

Tuttavia, questa estrema durezza crea sfide di lavorazione senza precedenti. I metodi tradizionali di tornitura, fresatura e foratura si dimostrano inefficaci. Sebbene possano essere impiegati utensili in diamante policristallino (PCD), nitruro di boro cubico (CBN) o ceramica, questi subiscono un'usura accelerata e una rapida perdita di affilatura.

Gli attuali metodi di lavorazione principali prevedono la rettifica con mola diamantata o la elettroerosione (EDM). Sebbene funzionali, questi approcci presentano molteplici difficoltà nel raggiungere risultati di qualità.

Gli ostacoli alla lavorazione si manifestano in tre aree critiche:

• Qualità e durata degli utensili: L'estrema durezza del materiale si accompagna alla fragilità, che porta a scheggiature, crepe e rapido degrado degli utensili. I metodi convenzionali faticano a mantenere la qualità, mentre gli utensili specializzati si usurano eccessivamente.
• Limitazioni di efficienza: La combinazione di alta densità, durezza e fragilità richiede un controllo preciso delle vibrazioni e delle forze di taglio. Un controllo inadeguato provoca micro-fessurazioni e frammentazione, rendendo il processo lungo e frustrante per i produttori.

I recenti progressi nella tecnologia di lavorazione a ultrasuoni offrono soluzioni promettenti a queste sfide persistenti. Questa tecnica innovativa sovrappone vibrazioni ad alta frequenza (oltre 20.000 micro-vibrazioni al secondo) ai processi di lavorazione convenzionali, creando vibrazioni longitudinali dell'utensile durante la rotazione.

I vantaggi di questo meccanismo di micro-vibrazione includono:

• Riduzione delle forze di taglio: Un attrito inferiore tra utensile e pezzo consente velocità di avanzamento più elevate, migliorando al contempo la qualità della superficie e prolungando la durata dell'utensile.
• Migliore evacuazione dei trucioli: Le vibrazioni ad alta frequenza favoriscono la frattura dei trucioli e ne impediscono l'intrappolamento, migliorando sia la qualità che l'efficienza.

Caso 1: Rettifica a finitura a specchio
Un produttore ha ottenuto una qualità della superficie di grado ottico (Ra < 0,002μm) su un pezzo in carburo di tungsteno da 20x20 mm utilizzando un portautensili HSKE40 a ultrasuoni con CTS, ATC e automazione CNC integrati. Il processo con un singolo utensile ha completato tutto, dalla sgrossatura alla finitura a specchio finale, dimostrandosi particolarmente prezioso per stampi di precisione, punzoni e componenti di valvole ad alta pressione.

Caso 2: Lavorazione filettature
Un'altra operazione ha lavorato filettature M10x1.5P ed eseguito la rettifica a forma di H su un pezzo da 50x70x10 mm utilizzando un portautensili a ultrasuoni HSKA63. Il tempo di completamento di 5 ore ha rappresentato una riduzione del 60% rispetto ai metodi EDM tradizionali, ottenendo al contempo una finitura superficiale superiore (Ra 0,8μm).

Compatibilità degli utensili: I sistemi a ultrasuoni scansionano automaticamente gli utensili per le frequenze di risonanza (tipicamente 20-32 kHz) e possono adattarsi a requisiti specifici degli utensili, con la maggior parte degli utensili standard che si dimostrano compatibili dopo un'ampia convalida.

Ottimizzazione dei parametri: La tecnologia include un supporto completo per la determinazione delle velocità di avanzamento e delle ampiezze ottimali, garantendo agli utenti il massimo beneficio dal sistema.

Per i produttori che affrontano sfide nella lavorazione del carburo di tungsteno, la tecnologia a ultrasuoni rappresenta un progresso significativo, offrendo maggiore efficienza, qualità e durata degli utensili rispetto ai metodi convenzionali.