Progrese remarcabile în prelucrarea fontelor

Producătorii de piese şi subansambluri s-au lovit mereu de pro­bleme variate şi au avut de înfruntat provocări complexe, cum ar fi cele legate de alegerea corectă a sculelor pentru prelucrarea fontelor. Nu doar faptul că există diferite tipuri de fonte, dar şi materialul din acelaşi tip de fontă poate varia de la o şarjă de turnare la alta. Aşa că, pentru a alege scula potrivită, geometria plăcuţei şi calitatea carburii folosite la aşchiere, producătorii au trebuit să înţeleagă toţi factorii implicaţi şi să ia în calcul întregul lanţ de producţie pentru a obţine combinaţia optimă între calitate, cost şi productivitate.

Deşi fonta este folosită în mai toate ramurile industriale, industria producătoare de autovehicule şi cea de maşini grele sunt sectoarele care tind să fie principalii utilizatori de fonte, producţia de serie a discurilor de frână sau pompele industriale unicat de mari dimensiuni fiind doar două dintre exemple. Aceste două componente reprezintă chiar două motive cheie pentru care mulţi producători utilizează fonta – se pretează, atât la producţia de masă a produselor standardizate, cât şi la fabricarea pieselor unicat, atât de complexe încât nu există o altă metodă alternativă realistă de producţie.

În acest articol vom încerca să atingem toate aspectele legate de prelucrarea fontelor, atât din punct de vedere al strunjirii cât şi al frezării. Trebuie notat şi faptul că există şi alte aspecte care trebuie să fie luate în consideraţie la aplicarea acestor concepte în producţia reală de componente, ca discuri de frână sau pompe de mari dimensiuni.

Fontele de astăzi sunt mult mai avansate şi mai bine înţelese decât acum 20 ani. În unele cazuri, fonta este o bună alternativă pentru oţel, mai ales acum când se exercită o presiune constantă pentru scăderea preţurilor şi mărirea productivităţii. În general, fonta a devenit mai uşoară, mai dură, mai ieftină şi are chiar o rezistenţă mare la uzură. Se pretează la prelucrări generale, se pot produce piese cu forme complexe şi are o prelucrabilitate bună. De amintit faptul că rezistenţa mecanică, costul şi prelucrabilitatea variază între diferite tipuri de fonte, incluzând aici fonta cenuşie, fonta cu grafit vermicular, fonta cu conţinut ridicat de siliciu, fonta cu grafit nodular sau fonta bainitică.  Pentru fiecare tip, există mai multe structuri cu diferite proprietăţi mecanice. Aceste variaţii rezultă, în principal, din diferenţele microstructurii matricei de metal ce înconjoară particulele de grafit.

În afară de faptul că trebuie să aleagă între diferite tipuri de fonte, producătorii trebuie să ia în consideraţie şi faptul că metalurgia fontei este foarte complexă. Procesul de turnare, prin natura lui, generează microstructuri cu proprietăţi dife­rite, care variază de la suprafaţa semifabricatului din fontă spre interiorul lui.

Altfel spus, în acelaşi semifabricat din  fontă se întâlnesc două microstructuri diferite. Mai mult de atât, calitatea fontei poate varia de la o turnătorie la alta, chiar dacă tipul de fontă este „exact acelaşi”, mici variaţii în procesul de turnare pot genera diferenţe semnificative, în ceea ce priveşte nivelul de prelucrabilitate, de la un semifabricat la altul.

Să luăm ca exemplu fonta cenuşie. Prelucrabilitatea ei este afectată de variaţiile dintre stratul superficial şi condiţiile din stratul imediat următor, cum ar fi reziduurile de turnare sau ferita liberă – fier în cea mai pură formă – condiţii care perturbă procesul de prelucrare în moduri diferite. Reziduurile vor crea zone dure aranjate aleator, în timp ce, datorită feritei, vor apărea zone moi în semifabricat. Aceste variaţii provoacă abateri previzibile care influenţează prelucrabilitatea. Prin urmare, producătorul trebuie să aibă un plan logistic bine pus la punct, de la turnare la stocare şi prelucrare, pentru a se asigura că are loturi constante de prelucrat, suficient de mari pentru a acoperi toate aplicaţiile.

Este foarte important să ai proprietăţile prefabricatului sub cel mai bun control posibil, în orice moment. La urma urmelor, orice variaţie poate avea un impact negativ asupra productivităţii, direct sau indirect. Atunci când proprietăţile semifabricatului nu sunt clare, producătorii se îndreaptă către sisteme de scule şi strategii de aşchiere care pot face faţă oricăror discontinuităţi din material. Cu toate acestea, trebuie să ştii exact ce scule şi ce strategii sunt potrivite pentru o anumită aplicaţie.

Companiile care produc scule de aşchiere dezvoltă constant noi produse pentru strunjire şi frezare, care să acopere nevoile producătorilor de piese şi să facă faţă provocărilor care apar la prelucrarea fontelor. Dar şi acest lucru este o provocare în sine, deoarece fiecare material, producător sau aplicaţie din lume este unică în felul ei. O companie producătoare de scule poate avea soluţii cu o arie mare de aplicabilitate, dar totul depinde de nevoile individuale ale clientului şi de strategia sau metoda de prelucrare adoptată.

În timp ce unii producători sunt dispuşi să achiziţioneze o gamă largă de plăcuţe amovibile, cu diferite geometrii şi calităţi de carbură, pentru a optimiza fiecare aplicaţie şi pentru a obţine un maxim de productivitate, alţi producători optează pentru o gamă restrânsă de plăcuţe amovibile ,,care merg peste tot”, pentru a coordona mai uşor procesul de fabricaţie, dar, în această situaţie, productivitatea va fi mai mică.În continuare ne vom referi la clasele de carbură pentru strunjire. În trecut, companiile care produceau scule aveau multe clase de carbură strict pentru prelucrarea fontei. Astăzi, scopul principal constă în reducerea claselor de carbură prin crearea unor soluţii de înaltă performanţă, care pot fi utilizate pentru o gamă largă de semifabricate din fontă, pentru a face procesul de selectare a sculelor cât mai simplu posibil.

Unele companii producătoare de scule utilizează procese moderne de acoperire pentru a crea strategii de prelucrare din două sau trei clase de carbură. Seco Tools, de exemplu, are o strategie pentru strunjire compusă din două clase de carbură,
strategie posibilă datorită tehnologiei proprii de acoperire Duratomic®, unde aluminiul şi oxigenul sunt manipulate la nivel atomic pentru a crea plăcuţe amovibile care combină o duritate excepţională cu o rezistenţă mare la uzură.

În condiţiile  actuale de strunjire, totul depinde de aplicaţiile specifice ale producătorilor. Producătorul trebuie să determine numărul exact de operaţii necesare pentru a obţine piesa finită din semifabricat. Dacă proprietăţile semifabricatului nu sunt exact cunoscute, producătorul poate include şi o strunjire de finisare suplimentară, operaţie care lungeşte timpul de fabricaţie. Totuşi, utilizând sculele corecte, adaptate condiţiilor şi cerinţelor de prelucrare, se poate reduce numărul total al operaţiilor.

Într-un scenariu mai elaborat de strunjire, producătorul de piese poate fi constrâns să fabrice un anumit număr de componente într-un timp bine determinat. În aceste condiţii, dacă semifabricatele au proprietăţi mecanice diferite ale suprafeţelor ce trebuie prelucrate, se poate ajunge la creşterea costurilor de prelucrare prin reducerea duratei de viaţă a sculei şi prin micşorarea productivităţii. În asemenea situaţii, producătorul trebuie să aleagă cu mare grijă tipurile de plăcuţe şi clasele de carbură. În schimb, dacă turnătoria poate furniza semifabricate cu un nivel calitativ constant, producătorul poate obţine un nivel de productivitate foarte ridicat utilizând scule PCBN.

Când vine vorba de frezarea fontei, totul devine mult mai complex. Deşi tipul plăcuţei şi calitatea carburii rămân importante, este absolut necesar ca producătorul de piese să trateze soluţia de prelucrare în ansamblu. Pe lângă geometria plăcuţei şi clasa de carbură, trebuie luate în considerare şi tipul frezei, numărul de plăcuţe utilizate şi numărul de muchii de aşchiere per plăcuţă, totul pentru a obţine un cost redus per piesă.

Fabricanţii de scule de astăzi încearcă să răspundă nevoilor producătorilor de piese şi subansambluri şi să simplifice prelucrarea fontelor, oferind soluţii simplu de aplicat şi care se comportă bine cu cât mai multe materiale şi la cât mai multe aplicaţii posibil. De exemplu, căldura excesivă sau agenţii de răcire nu sunt ideali la prelucrarea fontei, în special la frezare. De aceea, companiile care fabrică scule lucrează la dezvoltarea unor tehnologii pentru frezarea atât în condiţii umede, cât şi uscate. Se urmăreşte, de asemenea, reducerea timpului efectiv de prelucrare prin dezvoltarea unor soluţii care să permită degroşarea şi finisarea într-o singură trecere.

Dacă ar fi să alegem cel mai bun tip de freză pentru frezarea fontei, se poate spune că nu există o freză ,,bună la toate aplicaţiile”. Cu toate acestea, tipul de freză care face prelucrarea fontei mai uşoară este o freză negativă cu plăcuţe amovibile, cu unghi de degajare pozitiv şi o clasă de carbură care se comportă bine atât la prelucrarea umedă, cât şi la cea uscată.

Prin utilizarea unei plăcuţe cu unghi de degajare pozitiv într-o freză negativă, producătorii de piese şi subansambluri  pot obţine mai multe beneficii – forţe mai mici de aşchiere, reducerea consumului de putere şi a generării de căldură, toate acestea ducând la prelungirea duratei de viaţă a sculei şi la mărirea timpului efectiv de utilizare a muchiei de aşchiere.

De menţionat faptul că o freză se poate comporta excelent în diferite tipuri de fontă, dar asta nu înseamnă că este capabilă să prelucreze toate formele semifabricatului. Din acest motiv, companiile care produc scule oferă diferite tipuri şi forme de freze, de la frezele pentru frezare plană la cele pentru copiere şi pentru tot ce există între ele. Producătorii trebuie să se gândească la suprafaţa pe care vor să o prelucreze şi să se concentreze pe condiţiile de prelucrare: Semifabricatul nu stă în consolă prea mult? Pereţii piesei sunt prea subţiri sau suficient de groşi? Cât de sigură este prinderea semifabricatului în maşină?

În plus, producătorii trebuie să ia în calcul şi tipul maşinii care execută operaţiile de frezare. La prelucrarea fontei, apare o încărcare dinamică mare, de aceea maşina trebuie să fie foarte robustă, să ofere o putere mare şi să fie foarte stabilă. Toate acestea pun o presiune mare pe maşină. În condiţiile acestea, o freză negativă cu un unghi de degajare pozitiv ajută la scăderea necesarului de putere şi reduce forţele din arborele maşinii.

În final, cu atât de multe variabile de luat în calcul, dacă producătorul doreşte mărirea productivităţii, atunci când prelucrează fonte, cea mai bună soluţie este să lucreze îndeaproape cu furnizorul lui de scule. Producătorii de astăzi trebuie să combine cunoştinţele lor legate de propria tehnologie de fabricaţie cu cunoştinţele aprofundate de prelucrare ale furnizorilor de scule. În acest fel, producătorii sunt la curent cu cele mai recente progrese din industria prelucrătoare şi pot înţelege mai bine cum inovaţiile de prelucrare joacă un rol important în optimizarea procesului de fabricaţie. Rezultatul final este creşterea productivităţii liniilor de producţie şi crearea unor avantaje tehnologice pentru menţinerea competitivităţii producătorilor pe piaţa mondială.

Scurtă prezentare a fontelor moderne

Nu cu mult timp în urmă producătorii de piese şi subansambluri vedeau fonta ca fiind un metal ieftin, fragil şi murdar. Astăzi, datorită avansului tehnologic, se foloseşte o gamă largă de fonte, care sunt mai rezistente şi care au o prelucrabilitate mai mare ca în trecut. De reţinut faptul că duritatea şi prelucrabilitatea fontei variază de la un tip de fontă la altul, dar şi în cadrul aceluiaşi tip de fontă.

• Fonta cenuşie (GJL) – comună şi ieftină, conţine particule de grafit sub formă de lamele, are o proprietate excelentă de amortizare a vibraţiilor, se utilizează cu succes la fabricarea componentelor motoarelor cu combustie internă. Are cea mai bună prelucrabilitate, raportată la alte tipuri de fonte.
• Fonta cu grafit vermicular (GJV) – conţine particule de grafit de formă vermiculară. Este mai dură şi mai uşoară decât fonta cenuşie. Se foloseşte la fabricarea componentelor motoarelor auto supuse atât stresului mecanic, cât şi celui termic, de exemplu - piese pentru motoarele diesel.
• Fonta cu conţinut ridicat de siliciu – ideală pentru fabricarea butucilor de roţi şi a osiilor. Cu un nivel de prelucrabilitate ridicat şi cu proprietăţi mecanice excelente, este tot mai populară printre producătorii de autovehicule.
• Fonta cu grafit nodular (GJS) – conţine particule sferice  de grafit nodular într-o matrice feritică şi/sau perlitică. Prezintă o ductilitate mare, rezistenţă bună la oboseală, rezistenţă mare la uzură şi un modul de elasticitate mare. Se pretează la fabricarea carcaselor transmisiilor mecanice pentru echipamente grele sau în industria auto. Aliaje speciale de GJS se utilizează la fabricarea unor componente expuse la temperaturi foarte mari, cum ar fi ţevi de eşapament sau carcase de turbocompresor.
• Fonta bainitică – obţinută printr-un procedeu sofisticat de tratamente termice, are o duritate mare, rezistenţă mare la oboseală, bună rezistenţă la uzură şi valori mari ale alungirii la rupere. Înlocuieşte cu succes oţelul în cazul unor componente turnate sau forjate. Datorită durităţii mari şi a proprietăţilor elastice are cel mai mic nivel de prelucrabilitate dintre fontele prezentate aici.