1. Sifat dasar yang harus dimiliki bahan perkakas
Pemilihan material perkakas memiliki dampak besar pada masa pakai perkakas, efisiensi pemrosesan, kualitas pemrosesan, dan biaya pemrosesan. Saat memotong, perkakas harus tahan terhadap tekanan tinggi, suhu tinggi, gesekan, benturan, dan getaran. Oleh karena itu, material perkakas harus memiliki sifat dasar berikut:
(1) Kekerasan dan ketahanan aus. Kekerasan material pahat harus lebih tinggi dari kekerasan material benda kerja, umumnya harus di atas 60HRC. Semakin tinggi kekerasan material pahat, semakin baik ketahanan ausnya.
(2) Kekuatan dan ketangguhan. Bahan perkakas harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi untuk menahan gaya pemotongan, benturan, dan getaran, serta mencegah patah getas dan terkelupasnya perkakas.
(3) Tahan panas. Bahan alat harus memiliki ketahanan panas yang baik, mampu menahan suhu pemotongan tinggi, dan memiliki kemampuan antioksidan yang baik.
(4) Kinerja proses dan ekonomi. Material perkakas harus memiliki kinerja penempaan yang baik, kinerja perlakuan panas, kinerja pengelasan, kinerja penggilingan, dll., dan harus mengejar rasio kinerja-harga yang tinggi.
2. Jenis, kinerja, karakteristik dan aplikasi material alat
1. Jenis, sifat dan karakteristik material alat berlian dan aplikasi alat
Berlian merupakan alotrop karbon dan merupakan material terkeras yang ditemukan di alam. Perkakas berlian memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus tinggi, dan konduktivitas termal tinggi, serta banyak digunakan dalam pemrosesan logam non-ferrous dan material non-metalik. Terutama dalam pemotongan aluminium dan paduan aluminium silikon berkecepatan tinggi, perkakas berlian merupakan jenis perkakas pemotong utama yang sulit digantikan. Perkakas berlian yang dapat mencapai efisiensi tinggi, stabilitas tinggi, dan pemrosesan dengan masa pakai lama merupakan perkakas yang sangat diperlukan dan penting dalam pemrosesan CNC modern.
1) Jenis alat berlian
① Perkakas berlian alami: Berlian alami telah digunakan sebagai perkakas pemotong selama ratusan tahun. Setelah digiling halus, perkakas berlian kristal tunggal alami dapat menjadi sangat tajam, dengan radius ujung pemotongan hingga 0.002μm, yang dapat mencapai pemotongan sangat tipis, dan dapat memproses presisi benda kerja yang sangat tinggi dan kekasaran permukaan yang sangat rendah. Ini adalah perkakas pemesinan ultra-presisi yang diakui, ideal, dan tak tergantikan.
② Perkakas berlian PCD: Berlian alami mahal, dan berlian yang paling banyak digunakan untuk pemotongan adalah berlian polikristalin (PCD). Sejak awal tahun 1970-an, setelah berhasil mengembangkan bilah berlian polikristalin (berlian polikristalin, disebut PCD) yang dibuat dengan teknologi sintesis suhu tinggi dan tekanan tinggi, perkakas berlian alami telah digantikan oleh berlian polikristalin buatan dalam banyak kesempatan. Bahan baku PCD melimpah, dan harganya hanya sepersepuluh hingga selusin berlian alami.
Perkakas PCD tidak dapat mengasah tepi yang sangat tajam, dan kualitas permukaan benda kerja yang diproses tidak sebaik berlian alami. Saat ini, tidak mudah untuk memproduksi bilah PCD dengan chip breaker di industri. Oleh karena itu, PCD hanya dapat digunakan untuk pemotongan presisi logam non-ferrous dan non-logam, dan sulit untuk mencapai pemotongan cermin ultra-presisi.
③ Perkakas berlian CVD: Teknologi berlian CVD telah muncul di Jepang sejak akhir tahun 1970-an dan awal tahun 1980-an. Berlian CVD mengacu pada sintesis lapisan berlian pada substrat heterogen (seperti karbida semen, keramik, dll.) dengan pengendapan uap kimia (CVD). Berlian CVD memiliki struktur dan sifat yang sama dengan berlian alami.
Performa berlian CVD sangat mendekati kinerja berlian alami. Berlian ini memiliki keunggulan berlian kristal tunggal alami dan berlian polikristalin (PCD), dan pada tingkat tertentu mengatasi kekurangannya.
(2) Karakteristik kinerja alat berlian
① Kekerasan dan ketahanan aus yang sangat tinggi: Berlian alami adalah zat terkeras yang ditemukan di alam. Berlian memiliki ketahanan aus yang sangat tinggi. Saat memproses material dengan kekerasan tinggi, masa pakai alat berlian adalah 10 hingga 100 kali lipat dari alat karbida semen, atau bahkan hingga beberapa ratus kali lipat.
② Koefisien gesekan sangat rendah: Koefisien gesekan antara berlian dan beberapa logam non-ferrous lebih rendah daripada alat lainnya. Koefisien gesekan yang rendah berarti lebih sedikit deformasi selama pemrosesan, yang dapat mengurangi gaya pemotongan.
③ Mata potong yang sangat tajam: Mata potong alat berlian dapat diasah dengan sangat tajam. Alat berlian kristal tunggal alami dapat setajam 0.002-0.008μm, yang dapat melakukan pemotongan sangat tipis dan pemrosesan sangat presisi.
④ Konduktivitas termal yang sangat tinggi: Berlian memiliki konduktivitas termal dan difusivitas termal yang tinggi, panas pemotongan mudah dihilangkan, dan suhu bagian pemotongan alat rendah.
⑤ Koefisien ekspansi termal rendah: Koefisien ekspansi termal berlian beberapa kali lebih kecil daripada karbida semen, dan perubahan ukuran alat yang disebabkan oleh panas pemotongan sangat kecil, yang sangat penting untuk pemrosesan presisi dan ultra-presisi dengan persyaratan akurasi dimensi tinggi.
(3) Aplikasi alat berlian
Perkakas berlian sebagian besar digunakan untuk pemotongan halus dan pemboran logam non-ferrous dan material non-metalik pada kecepatan tinggi. Cocok untuk memproses berbagai non-metal tahan aus, seperti blanko metalurgi serbuk plastik yang diperkuat serat kaca, material keramik, dll.; berbagai logam non-ferrous tahan aus, seperti berbagai paduan aluminium silikon; berbagai finishing logam non-ferrous.
Kerugian dari perkakas berlian adalah stabilitas termalnya yang buruk. Ketika suhu pemotongan melebihi 700 derajat ~800 derajat, kekerasannya akan hilang sepenuhnya; selain itu, perkakas ini tidak cocok untuk memotong logam besi, karena berlian (karbon) mudah bereaksi dengan atom besi pada suhu tinggi, mengubah atom karbon menjadi struktur grafit, dan perkakas mudah rusak.
2. Jenis, sifat dan karakteristik bahan perkakas boron nitrida kubik dan aplikasi perkakas
Boron nitrida kubik (CBN), material superkeras kedua yang disintesis dengan metode yang mirip dengan metode pembuatan berlian, merupakan material kedua setelah berlian dalam hal kekerasan dan konduktivitas termal. Material ini memiliki stabilitas termal yang sangat baik dan tidak teroksidasi saat dipanaskan hingga 10,000 derajat di atmosfer. CBN memiliki sifat kimia yang sangat stabil untuk logam besi dan dapat digunakan secara luas dalam pemrosesan produk baja.
(1) Jenis alat boron nitrida kubik
Boron nitrida kubik (CBN) merupakan zat yang tidak terdapat di alam. Zat ini dapat dibagi menjadi kristal tunggal dan polikristalin, yaitu CBN kristal tunggal dan boron nitrida kubik polikristalin (disingkat PCBN). CBN merupakan salah satu alotrop boron nitrida (BN) dan memiliki struktur yang mirip dengan intan.
PCBN (polycrystalline cubic boron nitride) adalah material polikristalin yang dibuat dengan cara menyinter material CBN halus bersama-sama melalui fase pengikat (TiC, TiN, Al, Ti, dll.) di bawah suhu dan tekanan tinggi. Saat ini PCBN merupakan material perkakas dengan kekerasan kedua setelah intan yang disintesis secara artifisial. PCBN dan intan secara kolektif disebut sebagai material perkakas superkeras. PCBN terutama digunakan untuk membuat perkakas atau perkakas lainnya.
Perkakas PCBN dapat dibagi menjadi bilah PCBN integral dan bilah komposit PCBN yang disinter dengan karbida semen.
Bilah komposit PCBN dibuat dengan cara menyinter lapisan PCBN setebal {{0}}.5-1.0mm pada karbida semen dengan kekuatan dan ketangguhan yang baik. Kinerjanya menggabungkan ketangguhan yang baik dengan kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi. Bilah ini memecahkan masalah kekuatan tekuk yang rendah dan pengelasan bilah CBN yang sulit.
(2) Sifat dan karakteristik utama boron nitrida kubik
Meskipun kekerasan boron nitrida kubik sedikit lebih rendah daripada kekerasan berlian, kekerasannya jauh lebih tinggi daripada material berkekerasan tinggi lainnya. Keunggulan CBN yang menonjol adalah stabilitas termalnya jauh lebih tinggi daripada berlian, yang dapat mencapai di atas 1200 derajat (berlian adalah 700-800 derajat). Keunggulan menonjol lainnya adalah sifatnya yang inert secara kimia dan tidak bereaksi secara kimia dengan besi pada 1200-1300 derajat. Karakteristik kinerja utama boron nitrida kubik adalah sebagai berikut.
① Kekerasan tinggi dan ketahanan aus: Struktur kristal CBN mirip dengan berlian, dan memiliki kekerasan dan kekuatan yang mirip dengan berlian. PCBN sangat cocok untuk memproses material dengan kekerasan tinggi yang sebelumnya hanya dapat digiling, dan dapat memperoleh kualitas permukaan benda kerja yang lebih baik.
② Stabilitas termal yang tinggi: Ketahanan panas CBN dapat mencapai 1400-1500 derajat, yang hampir 1 kali lebih tinggi daripada berlian (700-800 derajat). Perkakas PCBN dapat memotong paduan suhu tinggi dan baja yang dikeraskan dengan kecepatan 3-5 kali lebih tinggi daripada perkakas karbida.
③ Stabilitas kimia yang sangat baik: Tidak bereaksi secara kimia dengan bahan besi pada derajat 1200-1300, dan tidak akan aus setajam berlian. Pada saat ini, kekerasan karbida masih dapat dipertahankan; alat PCBN cocok untuk memotong bagian baja yang dikeraskan dan besi cor dingin, dan dapat digunakan secara luas dalam pemotongan besi cor berkecepatan tinggi.
④ Konduktivitas termal yang baik: Meskipun konduktivitas termal CBN tidak dapat mengejar berlian, di antara semua jenis bahan perkakas, konduktivitas termal PCBN adalah yang kedua setelah berlian, dan jauh lebih tinggi daripada baja berkecepatan tinggi dan karbida.
⑤ Koefisien gesekan rendah: Koefisien gesekan rendah dapat menyebabkan berkurangnya gaya pemotongan, suhu pemotongan lebih rendah, dan peningkatan kualitas permukaan selama pemotongan.
(3) Aplikasi alat boron nitrida kubik
Boron nitrida kubik cocok untuk menyelesaikan berbagai material yang sulit dipotong seperti baja yang dikeraskan, besi cor keras, paduan suhu tinggi, karbida semen, material penyemprotan permukaan, dll. Akurasi pemesinan dapat mencapai IT5 (IT6 untuk lubang), dan nilai kekasaran permukaan dapat sekecil Ra1,25~0.20μm.
Material perkakas boron nitrida kubik memiliki ketangguhan dan kekuatan tekuk yang buruk. Oleh karena itu, perkakas putar boron nitrida kubik tidak cocok untuk pemesinan kasar pada kecepatan rendah dan dengan beban impak tinggi; pada saat yang sama, perkakas ini tidak cocok untuk memotong material dengan plastisitas tinggi (seperti paduan aluminium, paduan tembaga, paduan berbasis nikel, baja dengan plastisitas tinggi, dll.), karena saat memotong logam ini, tepi yang terbentuk akan terbentuk, yang akan merusak permukaan mesin.
3. Jenis, sifat dan karakteristik bahan perkakas keramik serta aplikasi perkakasnya
Perkakas keramik memiliki karakteristik kekerasan tinggi, ketahanan aus yang baik, ketahanan panas dan stabilitas kimia yang sangat baik, serta tidak mudah terikat dengan logam. Perkakas keramik menempati posisi yang sangat penting dalam pemesinan CNC. Perkakas keramik telah menjadi salah satu perkakas utama untuk pemotongan berkecepatan tinggi dan material yang sulit dikerjakan. Perkakas keramik banyak digunakan dalam pemotongan berkecepatan tinggi, pemotongan kering, pemotongan keras, dan pemotongan material yang sulit dikerjakan. Perkakas keramik dapat secara efisien memproses material dengan kekerasan tinggi yang sama sekali tidak dapat diproses oleh perkakas tradisional, mewujudkan "pembubutan alih-alih penggilingan"; kecepatan pemotongan optimal perkakas keramik dapat 2 hingga 10 kali lebih tinggi daripada perkakas karbida semen, sehingga sangat meningkatkan efisiensi produksi pemotongan; bahan baku utama yang digunakan dalam material perkakas keramik adalah unsur yang paling melimpah di kerak bumi. Oleh karena itu, promosi dan penerapan perkakas keramik sangat penting untuk meningkatkan produktivitas, mengurangi biaya pemrosesan, dan menghemat logam mulia yang strategis, dan juga akan sangat mendorong kemajuan teknologi pemotongan.
(1) Jenis bahan alat keramik
Bahan perkakas keramik secara umum dapat dibagi menjadi tiga kategori: keramik berbasis alumina, keramik berbasis silikon nitrida, dan keramik komposit berbasis silikon nitrida-alumina. Di antara ketiganya, bahan perkakas keramik berbasis alumina dan silikon nitrida adalah yang paling banyak digunakan. Kinerja keramik berbasis silikon nitrida lebih unggul daripada keramik berbasis alumina.
(2) Kinerja dan karakteristik alat keramik
Karakteristik kinerja alat keramik adalah sebagai berikut:
① Kekerasan tinggi dan ketahanan aus yang baik: Meskipun kekerasan perkakas keramik tidak setinggi PCD dan PCBN, namun jauh lebih tinggi daripada kekerasan perkakas karbida semen dan baja kecepatan tinggi, mencapai 93~95HRA. Perkakas keramik dapat memproses material dengan kekerasan tinggi yang sulit diproses dengan perkakas tradisional, dan cocok untuk pemotongan kecepatan tinggi dan pemotongan keras.
② Tahan suhu tinggi dan tahan panas yang baik: Perkakas keramik masih dapat memotong pada suhu tinggi di atas 1200 derajat. Perkakas keramik memiliki sifat mekanis suhu tinggi yang sangat baik. Perkakas keramik Al2O3 memiliki ketahanan oksidasi yang sangat baik. Mata potong dapat digunakan terus-menerus bahkan dalam keadaan sangat panas. Oleh karena itu, perkakas keramik dapat mencapai pemotongan kering, sehingga menghilangkan kebutuhan akan cairan pemotong.
③ Stabilitas kimia yang baik: Alat keramik tidak mudah terikat dengan logam, tahan korosi, dan stabil secara kimia, yang dapat mengurangi keausan ikatan alat.
④ Koefisien gesekan rendah: Alat keramik memiliki afinitas rendah dengan logam dan koefisien gesekan rendah, yang dapat mengurangi gaya pemotongan dan suhu pemotongan.
(3) Aplikasi alat keramik
Keramik merupakan salah satu material perkakas yang terutama digunakan untuk finishing dan semi-finishing berkecepatan tinggi. Perkakas keramik cocok untuk memotong berbagai besi cor (besi cor kelabu, besi ulet, besi cor lunak, besi cor dingin, besi cor paduan tinggi tahan aus) dan baja (baja struktural karbon, baja struktural paduan, baja berkekuatan tinggi, baja mangan tinggi, baja yang dipadamkan, dll.), dan juga dapat digunakan untuk memotong paduan tembaga, grafit, plastik rekayasa, dan material komposit.
Bahan perkakas keramik mempunyai masalah kekuatan lentur yang rendah dan ketangguhan benturan yang buruk, dan tidak cocok untuk pemotongan pada kecepatan rendah dan beban benturan.
4. Kinerja dan karakteristik bahan alat berlapis dan aplikasi alat
Pelapisan perkakas merupakan salah satu cara penting untuk meningkatkan kinerja perkakas. Munculnya perkakas berlapis telah membuat terobosan besar dalam kinerja pemotongan perkakas. Perkakas berlapis dibuat dengan melapisi satu atau beberapa lapisan senyawa tahan api dengan ketahanan aus yang baik pada badan perkakas yang kuat. Perkakas ini menggabungkan substrat perkakas dengan lapisan keras, sehingga kinerja perkakas meningkat secara signifikan. Perkakas berlapis dapat meningkatkan efisiensi pemrosesan, meningkatkan akurasi pemrosesan, memperpanjang masa pakai perkakas, dan mengurangi biaya pemrosesan.
Sekitar 80% dari alat potong yang digunakan pada mesin perkakas CNC baru menggunakan alat berlapis. Alat berlapis akan menjadi jenis alat yang paling penting dalam bidang pemrosesan CNC di masa mendatang.
(1) Jenis alat berlapis
Bergantung pada metode pelapisan, perkakas berlapis dapat dibagi menjadi perkakas berlapis deposisi uap kimia (CVD) dan perkakas berlapis deposisi uap fisik (PVD). Perkakas karbida berlapis umumnya menggunakan deposisi uap kimia, dan suhu deposisi sekitar 1000 derajat. Perkakas baja kecepatan tinggi berlapis umumnya menggunakan deposisi uap fisik, dan suhu deposisi sekitar 500 derajat.
Menurut bahan dasar alat berlapis yang berbeda, alat berlapis dapat dibagi menjadi alat berlapis karbida, alat berlapis baja berkecepatan tinggi, dan alat berlapis pada keramik dan bahan superkeras (berlian dan boron nitrida kubik).
Menurut sifat bahan pelapis, perkakas berlapis dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu perkakas berlapis "keras" dan perkakas berlapis "lunak". Sasaran utama perkakas berlapis "keras" adalah kekerasan tinggi dan ketahanan aus. Keunggulan utamanya adalah kekerasan tinggi dan ketahanan aus yang baik. Yang umum adalah pelapis TiC dan TiN. Sasaran perkakas berlapis "lunak" adalah koefisien gesekan rendah, juga dikenal sebagai perkakas pelumas sendiri. Koefisien gesekannya dengan bahan benda kerja sangat rendah, hanya sekitar 0.1, yang dapat mengurangi daya rekat, mengurangi gesekan, dan mengurangi gaya pemotongan dan suhu pemotongan.
Baru-baru ini, peralatan berlapis nano telah dikembangkan. Jenis peralatan berlapis ini dapat menggunakan berbagai kombinasi bahan pelapis (seperti logam/logam, logam/keramik, keramik/keramik, dll.) untuk memenuhi berbagai persyaratan fungsional dan kinerja. Pelapis nano yang dirancang secara wajar dapat membuat bahan peralatan memiliki fungsi antigesekan dan antiaus yang sangat baik serta sifat pelumasan sendiri, yang cocok untuk pemotongan kering berkecepatan tinggi.
(2) Karakteristik alat berlapis
Karakteristik kinerja alat yang dilapisi adalah sebagai berikut:
① Kinerja mekanis dan pemotongan yang baik: Perkakas berlapis menggabungkan sifat-sifat luar biasa dari bahan dasar dan bahan pelapis, mempertahankan ketangguhan yang baik dan kekuatan tinggi dari bahan dasar sekaligus memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus yang tinggi, dan koefisien gesekan rendah dari pelapis. Oleh karena itu, kecepatan pemotongan perkakas berlapis dapat ditingkatkan lebih dari 2 kali lipat dibandingkan dengan perkakas yang tidak dilapisi, dan memungkinkan laju umpan yang lebih tinggi. Masa pakai perkakas berlapis juga ditingkatkan.
② Fleksibilitas yang kuat: Perkakas berlapis memiliki fleksibilitas yang luas dan memperluas jangkauan pemrosesan secara signifikan. Satu perkakas berlapis dapat menggantikan beberapa perkakas yang tidak berlapis.
③ Ketebalan lapisan: Umur pakai pahat akan bertambah seiring bertambahnya ketebalan lapisan, tetapi saat ketebalan lapisan mencapai saturasi, umur pakai pahat tidak akan bertambah secara signifikan. Bila lapisan terlalu tebal, mudah menyebabkan pengelupasan; bila lapisan terlalu tipis, ketahanan ausnya buruk.
④ Penggilingan ulang: Penggilingan ulang bilah yang dilapisi buruk, peralatan pelapisannya rumit, persyaratan prosesnya tinggi, dan waktu pelapisannya lama.
⑤ Bahan pelapis: Alat dengan bahan pelapis yang berbeda memiliki kinerja pemotongan yang berbeda. Misalnya: Pelapisan TiC memiliki keunggulan dalam pemotongan kecepatan rendah; TiN lebih cocok untuk pemotongan kecepatan tinggi.
(3) Aplikasi alat berlapis
Perkakas berlapis memiliki potensi besar dalam bidang permesinan CNC dan akan menjadi jenis perkakas terpenting dalam bidang permesinan CNC di masa mendatang. Teknologi pelapisan telah diterapkan pada mesin penggilingan ujung, mesin reamer, bor, perkakas permesinan lubang majemuk, hob roda gigi, pemotong pembentuk roda gigi, pemotong pencukur roda gigi, bros pembentuk, dan berbagai sisipan indeks yang dipasang pada mesin untuk memenuhi kebutuhan pemotongan berkecepatan tinggi berbagai baja dan besi tuang, paduan tahan panas, dan logam non-ferrous.
5. Jenis, sifat, karakteristik dan aplikasi bahan perkakas karbida semen
Perkakas karbida semen, khususnya perkakas karbida semen yang dapat diindeks, merupakan produk utama perkakas permesinan CNC. Sejak tahun 1980-an, berbagai jenis perkakas atau bilah karbida semen integral dan dapat diindeks telah diperluas ke berbagai bidang perkakas potong. Di antaranya, perkakas karbida semen yang dapat diindeks telah berkembang dari perkakas putar sederhana dan pemotong frais muka ke berbagai bidang perkakas presisi, kompleks, dan pembentukan.
(1) Jenis alat karbida semen
Menurut komposisi kimia utama, karbida semen dapat dibagi menjadi karbida semen berbasis karbida tungsten dan karbida semen berbasis karbida titanium (nitrida) (TiC (N)).
Karbida semen berbasis tungsten karbida mencakup tiga jenis: tungsten kobalt (YG), tungsten kobalt titanium (YT), dan karbida langka (YW). Masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri. Komponen utamanya adalah tungsten karbida (WC), titanium karbida (TiC), tantalum karbida (TaC), niobium karbida (NbC), dll. Fase pengikatan logam yang umum digunakan adalah Co.
Karbida tersemen berbahan dasar titanium karbida (nitrida) adalah karbida tersemen dengan TiC sebagai komponen utama (beberapa memiliki tambahan karbida atau nitrida lain), dan fase ikatan logam yang umum digunakan adalah Mo dan Ni.
ISO (Organisasi Internasional untuk Standardisasi) membagi pemotongan karbida semen menjadi tiga kategori:
Kategori K, termasuk Kl0~K40, setara dengan kategori YG negara saya (komponen utamanya adalah WC-Co).
Kategori P, termasuk P01~P50, setara dengan kategori YT negara saya (komponen utamanya adalah WC-TiC-Co).
Kategori M, termasuk M10~M40, setara dengan kategori YW negara saya (komponen utamanya adalah WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Setiap merek diwakili oleh angka antara 01 dan 50 untuk mewakili serangkaian paduan dari kekerasan tinggi hingga ketangguhan maksimum.
(2) Karakteristik kinerja alat karbida semen
Karakteristik kinerja alat karbida semen adalah sebagai berikut:
① Kekerasan tinggi: alat karbida semen terbuat dari karbida (disebut fase keras) dengan kekerasan dan titik leleh tinggi dan pengikat logam (disebut fase ikatan) melalui metalurgi serbuk. Kekerasannya mencapai 89-93HRA, yang jauh lebih tinggi daripada baja kecepatan tinggi. Pada 5400 derajat, kekerasannya masih dapat mencapai 82-87HRA, yang sama dengan kekerasan baja kecepatan tinggi pada suhu kamar (83-86HRA). Nilai kekerasan karbida semen bervariasi dengan sifat, kuantitas, ukuran partikel dan kandungan fase ikatan logam karbida, dan umumnya menurun dengan peningkatan kandungan fase logam ikatan. Ketika kandungan fase ikatannya sama, kekerasan paduan YT lebih tinggi daripada paduan YG, dan paduan dengan penambahan TaC (NbC) memiliki kekerasan suhu tinggi yang lebih tinggi.
② Kekuatan lentur dan ketangguhan: Kekuatan lentur karbida semen yang umum digunakan berada dalam kisaran 900-1500MPa. Semakin tinggi kandungan fasa pengikat logam, semakin tinggi pula kekuatan lenturnya. Bila kandungan pengikatnya sama, kekuatan paduan tipe YG (WC-Co) lebih tinggi daripada paduan tipe YT (WC-TiC-Co), dan kekuatannya menurun seiring dengan peningkatan kandungan TiC. Karbida semen merupakan material yang getas, dan ketangguhan impaknya pada suhu ruangan hanya 1/30 hingga 1/8 dari baja kecepatan tinggi.
(3) Aplikasi alat karbida semen yang umum digunakan
Paduan jenis YG terutama digunakan untuk memproses besi cor, logam non-ferrous, dan material non-metalik. Karbida semen berbutir halus (seperti YG3X, YG6X) memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi daripada yang berbutir sedang ketika kandungan kobaltnya sama. Cocok untuk memproses beberapa besi cor keras khusus, baja tahan karat austenitik, paduan tahan panas, paduan titanium, perunggu keras, dan material isolasi tahan aus.
Keunggulan utama karbida semen tipe YT adalah kekerasannya yang tinggi, ketahanan panasnya yang baik, kekerasan dan kekuatan tekannya yang lebih tinggi pada suhu tinggi dibandingkan tipe YG, serta ketahanan oksidasinya yang baik. Oleh karena itu, ketika perkakas tersebut harus memiliki ketahanan panas dan ketahanan aus yang lebih tinggi, sebaiknya dipilih mutu dengan kandungan TiC yang lebih tinggi. Paduan YT cocok untuk memproses bahan plastik seperti baja, tetapi tidak cocok untuk memproses paduan titanium dan paduan aluminium silikon.
Paduan YW memiliki sifat paduan YG dan YT serta memiliki sifat komprehensif yang baik. Paduan ini dapat digunakan untuk memproses baja, besi cor, dan logam non-ferrous. Jika kandungan kobalt pada jenis paduan ini ditingkatkan dengan tepat, kekuatannya dapat menjadi sangat tinggi dan dapat digunakan untuk pemrosesan kasar dan pemotongan berkala berbagai material yang sulit diproses.
6. Jenis, karakteristik dan aplikasi perkakas baja kecepatan tinggi
Baja Kecepatan Tinggi (HSS) merupakan baja perkakas paduan tinggi dengan sejumlah besar unsur paduan seperti W, Mo, Cr, dan V. Perkakas baja kecepatan tinggi memiliki kinerja komprehensif yang sangat baik dalam hal kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan proses. Baja kecepatan tinggi masih menempati posisi utama dalam perkakas yang kompleks, terutama dalam pembuatan perkakas pemrosesan lubang, pemotong frais, perkakas ulir, broaches, perkakas pemotong roda gigi, dan perkakas lain dengan bentuk bilah yang kompleks. Perkakas baja kecepatan tinggi mudah untuk mengasah ujung pemotongnya.
Menurut kegunaannya yang berbeda, baja kecepatan tinggi dapat dibagi menjadi baja kecepatan tinggi serbaguna dan baja kecepatan tinggi berkinerja tinggi.
(1) Alat baja kecepatan tinggi serbaguna
Baja berkecepatan tinggi untuk keperluan umum. Secara umum, baja ini dapat dibagi menjadi dua kategori: baja tungsten dan baja tungsten-molibdenum. Jenis baja berkecepatan tinggi ini mengandung 0,7% hingga 0,9% tungsten. Menurut kandungan tungsten yang berbeda dalam baja, baja ini dapat dibagi menjadi baja tungsten yang mengandung 12% atau 18% W, baja tungsten-molibdenum yang mengandung 6% atau 8% W, dan baja molibdenum yang mengandung 2% atau tidak mengandung W. Baja berkecepatan tinggi untuk keperluan umum memiliki kekerasan tertentu (63-66HRC) dan ketahanan aus, kekuatan dan ketangguhan tinggi, plastisitas dan teknologi pemrosesan yang baik, sehingga banyak digunakan dalam pembuatan berbagai peralatan yang rumit.
① Baja tungsten: Mutu khas baja tungsten berkecepatan tinggi serbaguna adalah W18Cr4V (disingkat W18), yang memiliki kinerja komprehensif yang baik. Kekerasan suhu tinggi pada 6000 derajat adalah 48,5HRC, yang dapat digunakan untuk memproduksi berbagai perkakas yang rumit. Baja ini memiliki keunggulan berupa kemampuan gerinda yang baik dan sensitivitas dekarburisasi yang rendah, tetapi karena kandungan karbida yang tinggi, distribusi yang tidak merata, partikel yang besar, kekuatan dan ketangguhan yang rendah.
② Baja tungsten-molibdenum: mengacu pada baja berkecepatan tinggi yang diperoleh dengan mengganti sebagian tungsten dalam baja tungsten dengan molibdenum. Mutu baja tungsten-molibdenum yang umum adalah W6Mo5Cr4V2 (disingkat M2). Partikel karbida M2 halus dan seragam, dan kekuatan, ketangguhan, serta plastisitas suhu tingginya lebih baik daripada W18Cr4V. Baja tungsten-molibdenum lainnya adalah W9Mo3Cr4V (disingkat W9), yang memiliki stabilitas termal yang sedikit lebih tinggi daripada baja M2, kekuatan tekuk dan ketangguhan yang lebih baik daripada W6M05Cr4V2, dan memiliki kemampuan mesin yang baik.
(2) Alat baja kecepatan tinggi berkinerja tinggi
Baja kecepatan tinggi berkinerja tinggi mengacu pada jenis baja baru yang menambahkan sejumlah kandungan karbon, kandungan vanadium, dan unsur paduan seperti Co dan Al ke dalam komposisi baja kecepatan tinggi secara umum, sehingga meningkatkan ketahanan panas dan ketahanan ausnya. Terdapat beberapa kategori utama berikut:
① Baja karbon tinggi berkecepatan tinggi. Baja karbon tinggi berkecepatan tinggi (seperti 95W18Cr4V) memiliki kekerasan tinggi pada suhu ruangan dan suhu tinggi. Baja ini cocok untuk pembuatan perkakas untuk memproses baja biasa dan besi cor, bor, reamer, keran, dan pemotong frais dengan persyaratan ketahanan aus yang tinggi, atau untuk memproses material yang lebih keras. Baja ini tidak cocok untuk benturan besar.
② Baja kecepatan tinggi dengan kandungan vanadium tinggi. Mutu yang umum, seperti W12Cr4V4Mo (disingkat EV4), mengandung 3%~5% V, memiliki ketahanan aus yang baik, dan cocok untuk memotong material yang sangat rentan terhadap keausan alat, seperti serat, karet keras, plastik, dll. Baja ini juga dapat digunakan untuk memproses baja tahan karat, baja berkekuatan tinggi, dan paduan suhu tinggi.
③ Baja kecepatan tinggi kobalt. Baja kecepatan tinggi superkeras yang mengandung kobalt. Mutu yang umum, seperti W2Mo9Cr4VCo8 (disingkat M42), memiliki kekerasan tinggi, dan kekerasannya dapat mencapai 69~70HRC. Baja ini cocok untuk memproses material yang sulit diproses seperti baja tahan panas berkekuatan tinggi, paduan suhu tinggi, paduan titanium, dll. M42 memiliki kemampuan gerinda yang baik dan cocok untuk membuat perkakas presisi dan kompleks, tetapi tidak cocok untuk bekerja dalam kondisi pemotongan benturan.
④ Baja kecepatan tinggi aluminium. Baja ini merupakan baja kecepatan tinggi superkeras yang mengandung aluminium. Mutu yang umum termasuk W6Mo5Cr4V2Al (disingkat 501). Kekerasan suhu tinggi pada 6000 derajat juga mencapai 54HRC. Kinerja pemotongannya setara dengan M42. Baja ini cocok untuk pembuatan pemotong frais, bor, reamer, pemotong roda gigi, broaches, dll. Baja ini digunakan untuk memproses baja paduan, baja tahan karat, baja berkekuatan tinggi, dan paduan suhu tinggi.
⑤ Baja berkecepatan tinggi superkeras nitrogen. Mutu yang umum meliputi W12M03Cr4V3N (disingkat (V3N). Baja ini adalah baja berkecepatan tinggi superkeras yang mengandung nitrogen. Kekerasan, kekuatan, dan ketangguhannya setara dengan M42. Baja ini dapat digunakan sebagai pengganti baja berkecepatan tinggi yang mengandung kobalt dan digunakan untuk pemotongan kecepatan rendah pada material yang sulit diproses dan pemrosesan presisi tinggi kecepatan rendah.
(3) Peleburan baja kecepatan tinggi dan metalurgi serbuk baja kecepatan tinggi
Menurut proses manufaktur yang berbeda, baja kecepatan tinggi dapat dibagi menjadi baja kecepatan tinggi peleburan dan baja kecepatan tinggi metalurgi serbuk.
① Peleburan baja berkecepatan tinggi: Baja berkecepatan tinggi biasa dan baja berkecepatan tinggi berkinerja tinggi keduanya diproduksi dengan metode peleburan. Baja tersebut dibuat menjadi alat pemotong melalui proses seperti peleburan, pengecoran ingot, pelapisan, dan penggulungan. Masalah serius yang mudah terjadi saat melelehkan baja berkecepatan tinggi adalah pemisahan karbida. Karbida keras dan getas tidak terdistribusi secara merata dalam baja berkecepatan tinggi, dan butirannya kasar (hingga puluhan mikron), yang berdampak buruk pada ketahanan aus, ketangguhan, dan kinerja pemotongan alat baja berkecepatan tinggi.
② Baja berkecepatan tinggi metalurgi serbuk (PM HSS): Baja berkecepatan tinggi metalurgi serbuk (PM HSS) adalah baja cair yang dicairkan dalam tungku induksi frekuensi tinggi, yang diatomisasi dengan argon bertekanan tinggi atau nitrogen murni, dan kemudian didinginkan dengan cepat untuk mendapatkan struktur kristal yang halus dan seragam (serbuk baja berkecepatan tinggi). Serbuk yang dihasilkan kemudian ditekan menjadi pisau kosong di bawah suhu tinggi dan tekanan tinggi, atau pertama-tama dibuat menjadi baja kosong dan kemudian ditempa dan digulung menjadi bentuk alat. Dibandingkan dengan baja berkecepatan tinggi yang diproduksi dengan metode peleburan, PM HSS memiliki keunggulan butiran karbida yang halus dan seragam, dan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan aus yang jauh lebih tinggi daripada peleburan baja berkecepatan tinggi. Di bidang alat CNC yang kompleks, alat PM HSS akan lebih berkembang dan menempati posisi penting. Mutu umum seperti F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, dan lain-lain, dapat digunakan untuk membuat perkakas potong yang berukuran besar, berbeban berat, dan berdampak tinggi, serta dapat juga digunakan untuk membuat perkakas potong yang presisi.
Prinsip untuk memilih bahan alat CNC
Saat ini, material perkakas CNC yang banyak digunakan terutama meliputi perkakas berlian, perkakas boron nitrida kubik, perkakas keramik, perkakas berlapis, perkakas karbida, dan perkakas baja berkecepatan tinggi. Ada banyak jenis material perkakas, dan kinerjanya sangat bervariasi. Indikator kinerja utama berbagai material perkakas ditunjukkan dalam tabel berikut.
Material perkakas untuk pemesinan CNC harus dipilih sesuai dengan benda kerja yang akan dikerjakan dan sifat pemesinan. Pemilihan material perkakas harus disesuaikan secara wajar dengan objek pemesinan. Pencocokan material perkakas potong dan objek pemesinan terutama mengacu pada pencocokan sifat mekanik, sifat fisik, dan sifat kimia keduanya untuk memperoleh masa pakai perkakas terpanjang dan produktivitas pemotongan maksimum.
1. Pencocokan sifat mekanik bahan alat potong dan objek mesin
Masalah pencocokan sifat mekanis alat potong dan benda kerja terutama mengacu pada pencocokan parameter sifat mekanis seperti kekuatan, ketangguhan, dan kekerasan bahan alat dan benda kerja. Bahan alat dengan sifat mekanis yang berbeda cocok untuk pemesinan bahan benda kerja yang berbeda.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>baja berkecepatan tinggi.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>alat berlian dan boron nitrida kubik.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>boron nitrida kubik, berlian dan alat keramik.
Material benda kerja dengan kekerasan tinggi harus diproses dengan alat dengan kekerasan yang lebih tinggi. Kekerasan material alat harus lebih tinggi daripada kekerasan material benda kerja, umumnya harus di atas 60HRC. Semakin tinggi kekerasan material alat, semakin baik ketahanan ausnya. Misalnya, ketika kandungan kobalt dalam karbida semen meningkat, kekuatan dan ketangguhannya meningkat, dan kekerasannya menurun, yang cocok untuk pemrosesan kasar; ketika kandungan kobalt menurun, kekerasan dan ketahanan ausnya meningkat, yang cocok untuk pemrosesan halus.
Perkakas dengan sifat mekanik suhu tinggi yang sangat baik sangat cocok untuk pemotongan berkecepatan tinggi. Kinerja perkakas keramik yang sangat baik pada suhu tinggi memungkinkannya untuk memotong pada kecepatan tinggi, dan kecepatan pemotongan yang diizinkan dapat ditingkatkan 2 hingga 10 kali lipat dibandingkan dengan karbida semen.
2. Mencocokkan sifat fisik bahan alat potong dengan objek pengolahan
Perkakas dengan sifat fisik yang berbeda, seperti perkakas baja berkecepatan tinggi dengan konduktivitas termal tinggi dan titik leleh rendah, perkakas keramik dengan titik leleh tinggi dan ekspansi termal rendah, perkakas berlian dengan konduktivitas termal tinggi dan ekspansi termal rendah, dll., cocok untuk memproses material benda kerja yang berbeda. Saat memproses benda kerja dengan konduktivitas termal yang buruk, material perkakas dengan konduktivitas termal yang lebih baik harus digunakan untuk memungkinkan panas pemotongan ditransfer dengan cepat dan mengurangi suhu pemotongan. Berlian memiliki konduktivitas termal dan difusivitas termal yang tinggi, sehingga panas pemotongan dapat dengan mudah dihilangkan tanpa menyebabkan deformasi termal yang besar, yang sangat penting untuk perkakas pemesinan presisi dengan persyaratan akurasi dimensi yang tinggi.
① Suhu tahan panas berbagai bahan alat: 700-8000 derajat untuk alat berlian, 13000-15000 derajat untuk alat PCBN, 1100-12000 derajat untuk alat keramik, 900-11000 derajat untuk karbida semen berbasis TiC(N), 800-9000 derajat untuk karbida semen berbutir sangat halus berbasis WC, dan 600-7000 derajat untuk HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Keramik berbahan dasar Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Keramik berbahan dasar Al2O3-.
3. Pencocokan kinerja kimia bahan alat pemotong dan objek pemrosesan
Masalah pencocokan kinerja kimia dari bahan alat potong dan objek pemrosesan terutama mengacu pada parameter kinerja kimia seperti afinitas kimia, reaksi kimia, difusi dan pelarutan bahan alat dan bahan benda kerja. Alat dari bahan yang berbeda cocok untuk memproses bahan benda kerja yang berbeda.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>berlian.
4. Pemilihan material alat CNC yang wajar
Secara umum, PCBN, perkakas keramik, karbida berlapis, dan perkakas karbida berbasis TiCN cocok untuk pemesinan CNC logam besi seperti baja; sementara perkakas PCD cocok untuk pemesinan material logam non-besi seperti Al, Mg, Cu dan paduannya serta material non-logam. Tabel berikut menunjukkan beberapa material benda kerja yang cocok untuk pemesinan dengan berbagai material perkakas.