La clasificación ISO S de los materiales a mecanizar incluye las aleaciones termoresistentes (HRSA) y las de titanio. La dureza en caliente y la resistencia de estos materiales permiten su uso en una amplia gama de aplicaciones esenciales del sector aeronáutico, energético, etc… Aunque estas aleaciones ofrecen propiedades beneficiosas, generan características de mecanizando diferentes a las de las fundiciones y aceros convencionales; por ello, los fabricantes de plaquitas han desarrollado nuevos productos y estrategias de mecanizado para mejorar la maquinabilidad del material y proporcionar un proceo fiable, consistente y relativamente económico en las aleaciones del grupo ISO S. En estos momentos, el objetivo de los fabricantes de herramientas es educar a otros fabricantes sobre las nuevas estrategias, así como convencer a los operarios para replantearse técnicas de mecanizado anticuadas que, probablemente, no se aplicarán a los avanzados materiales actuales. Factores de maquinabilidad El término maquinabilidad describe la respuesta de un metal al proceso de mecanizado. La maquinabilidad consta de cuatro factores fundamentales: las fuerzas mecánicas producidas en el mecanizado, la formación y evacuación de viruta, la generación y transmisión de calor, el desgaste y fallo de la plaquita. Los efectos excesivos de cualquiera de estos factores o de todos ellos pueden causar que un material se considere como «difícil de mecanizar».
Los problemas de maquinabilidad relacionados con la vida útil de la herramienta, el tiempo de procesamiento, la fiabilidad y la calidad de la pieza aparecen cuando se intenta mecanizar aleaciones HRSA y de titanio con las mismas herramientas y técnicas que se han utilizado durante muchas décadas, por ejemplo, en fundiciones y aceros. Sólo hace unos años que se han desarrollado herramientas para mecanizar las aleaciones de níquel y titanio pero el mecanizado de estos materiales relativamente nuevos no es necesariamente más difícil que el de los metales tradicionales; simplemente es diferente.
Por ejemplo, el método habitual para mecanizar un material «difícil» es proceder con precaución y utilizar parámetros de corte menos agresivos, entre los que destacan una disminución del avance, de la profundidad de corte y de la velocidad de corte. Sin embargo, si se utiliza una plaquita desarrollada específicamente para estos materiales de alto rendimiento, la regla básica es aumentar la profundidad de corte y el avance. Las herramientas diseñadas para manejar estos parámetros más agresivos incluyen calidades de metal duro de grano fino que proporcionan un filo con resistencia a las altas temperaturas y mayor adherencia del recubrimiento, y sobre todo resistencia al mellado causado por las piezas templadas. También se han desarrollado herramientas de cerámica y PCBN para el desbaste y acabado de estas aleaciones de alto rendimiento.
En cuanto a los factores específicos de maquinabilidad, los problemas mecánicos o relacionados con la fuerza presentes en las aleaciones HRSA no son muy diferentes a los de las fundiciones o aceros tenaces. Hay una gran diferencia, sin embargo, en la generación y disipación de calor. El calor se genera cuando el corte del metal deforma el material a mecanizar y después las virutas generadas en los procesos de corte transportan el calor. Sin embargo, si estos materiales producen virutas segmentadas, normalmente éstas no son capaces de realizar bien su labor. Además, los materiales termoresistentes son malos conductores del calor, aunque las temperaturas en las zonas de corte pueden ser de 1100° – 1300° C, si el calor no se disipa, se acumula en la herramienta y la pieza, lo que disminuye la vida útil de la herramienta e incluso provoca la deformación de la pieza y cambios en sus características metalúrgicas.
Para ayudar a resolver este problema, es necesario cambiar la percepción de la resistencia de la plaquita. Normalmente se considera que las plaquitas con arista viva son débiles pero una forma de controlar la acumulación de calor en la herramienta es utilizar plaquitas con aristas vivas que corten el material y que no lo deformen, con lo que se genera menos calor. Llevar a cabo esta estrategia requiere herramientas diseñadas para que la resistencia de filo se aplique en las herramientas de mecanizado con suficiente potencia, estabilidad y resistencia a las vibraciones.
La tendencia al temple por deformación y precipitación también complica el mecanizado de las aleaciones HRSA. En el temple por deformación, el material en la zona de corte se endurece cuando se somete a la tensión y las altas temperaturas del proceso de corte. Las aleaciones de níquel y titanio presentan una mayor tendencia al temple por deformación que el acero. En lo que respecta al temple por precipitación, se forman zonas duras en el material a mecanizar cuando las altas temperaturas activan un elemento de la aleación que, de lo contrario, hubiera estado en reposo. Con cualquiera de las dos tendencias, la estructura del material puede variar significativamente después de una sola pasada de la plaquita, y una segunda pasada se tendrá que realizar el corte en una superficie mucho más dura. Una solución es reducir al máximo el número de pasadas. En lugar de mecanizar 10 mm de material con dos pasadas de profundidad de corte de 5 mm, por ejemplo, es mejor utilizar una sola pasada de profundidad de corte de 10 mm. En muchos casos el mecanizado con una sola pasada no es posible, pero es el objetivo teórico.
Este enfoque también exige un replanteamiento del proceso de acabado, que tradicionalmente implica varias pasadas con profundidades de corte pequeñas y un avance ligero. En su lugar, los operarios deben buscar posibilidades para aumentar los parámetros en la medida de lo posible ya que así se puede mejorar tanto la vida útil de la herramienta como el acabado superficial.
Una pasada de acabado con un poco más de profundidad de corte también logra que la parte más afilada del filo de corte pueda trabajar en cualquier zona de la pieza templada por deformación o precipitación. Sin embargo, una pasada de acabado demasiado profunda puede generar vibraciones y afectar negativamente al acabado superficial. Encontrar el equilibrio óptimo entre agresividad y precaución es la clave.
Fiabilidad y rentabilidad
En la actualidad gracias a las herramientas y estrategias que se han desarrollado específicamente para las aleaciones de níquel y titanio, se puede realizar el mecanizado sin problemas tecnológicos. El reto actual no es simplemente el mecanizado de la pieza, sino el mecanizado correcto de la pieza en cierto tiempo y a un precio determinado. El objetivo es mejorar la fiabilidad de los procesos y el coste de la producción.
Considerando el alto coste de estos materiales para mecanizar y los componentes que se fabrican con ellos, los procesos de mecanizado deben ser totalmente fiables. Los fabricantes no pueden permitirse el lujo de elaborar piezas defectuosas mientras buscan un proceso de mecanizado fiable. El uso de las herramientas y los parámetros de mecanizado adecuados ayudan a garantizar unos resultados de mecanizado consistentes.
Respecto a los parámetros de mecanizado, incrementar las profundidades de corte y el avance contribuye a aumentar la productividad. El uso de mayores velocidades de corte también puede acelerar el procesamiento de la pieza, pero esto aún no se ha implementado completamente. Las velocidades empleadas en la actualidad en las aleaciones de níquel y titanio son todavía inferiores a las utilizadas con los aceros, aunque ahora las investigaciones se centran en el desarrollo de las propiedades de las plaquitas que permitirán velocidades de corte superiores al tiempo que mantenga una vida útil de la herramienta razonable.
Además de las plaquitas, existen otros componentes del mecanizado, como el uso de un sistema refrigerante directo de alta presión (HPDC) que también pueden ayudar a aumentar la productividad. Si la velocidad de corte de un material ISO es de 50 m/min., el sistema HPDC puede permitir velocidades de corte de hasta 200 m/min, lo que cuadruplica la producción.
La vida útil de la herramienta es otro elemento de productividad que puede verse desde una nueva perspectiva al mecanizar aleaciones HRSA. Por una parte hay que tener en cuenta la duración habitual de la vida útil de la herramienta que consiste en los minutos de corte antes de que sea necesario sustituirla, y por otra el coste.
Si, por ejemplo, producir una determinada pieza tarda alrededor de 2 horas y las herramientas se deben cambiar cada 20 minutos, tenemos que comprar 6 herramientas para acabar la pieza. En esta línea de pensamiento, el objetivo sería reducir los costes de la herramienta y lograr una vida útil de 30 minutos en lugar de 20.
Sin embargo, el coste de la herramienta constituye una parte muy pequeña del valor general de las piezas cuando se procesan componentes más caros como las aleaciones HRSA o de titanio. Por lo que hay que tener más en cuenta el uso de la herramienta también llamado índice de uso de la herramienta. Cuando se comparan dos herramientas, si una dura 10 minutos y produce una pieza, el coste de la herramienta es de una herramienta por pieza. Otra herramienta, que se aplique de forma diferente, puede durar sólo 5 minutos, pero produce dos piezas. A pesar de que la segunda vida útil de la herramienta es la mitad de minutos que la de la primera, la producción de las piezas se duplica. El objetivo es crear el máximo número de piezas en el menor plazo de tiempo a un precio aceptable. Considerando el alto coste de las piezas de aleaciones HRSA, el índice de uso de la herramienta es un mejor indicador de la verdadera productividad.
Conclusión
Como siempre es el caso, el factor clave para optimizar los beneficios de las nuevas tecnologías de mecanizado es saber cómo aplicarlas de la mejor manera posible en una operación particular. Mientras se continúan logrando progresos en los materiales a mecanizar de alto rendimiento como las aleaciones HRSA y de titanio, los fabricantes de herramientas también seguirán ideando nuevas formas de maximizar la productividad en los procesos de mecanizado de las nuevas aleaciones. De esta forma los fabricantes se beneficiarán de conocer las nuevas herramientas disponibles y del amplio conocimiento de los fabricantes de herramientas sobre los mejores métodos de aplicación.
(Sidebar)
Desarrollo de herramientas continuo
El acero inoxidable, patentado en una variedad de formas hace unos 100 años, fue el primer paso hacia la moderna aleación HRSA. En las primeras aleaciones de acero inoxidable, se añadió cromo al acero para resistir la oxidación y la corrosión, las aleaciones de acero inoxidable básicas tienen un contenido mínimo de cromo del 10,5% de su peso total. Posteriormente, también se agregó níquel para mejorar la dureza y tenacidad de los aceros inoxidables. El porcentaje de níquel creció a medida que las aleaciones se aplicaban cada vez más en entornos hostiles y finalmente el níquel se convirtió en el principal elemento de la aleación de materiales. La actualmente popular aleación HRSA 718, conocida comercialmente como Inconel 718, tiene un contenido de níquel del 50 al 55%, cromo del 17 al 21% y de otros elementos del 10%, y el resto es hierro. Las modernas aleaciones HRSA y de titanio ofrecen una excelente tensión y resistencia al calor y a la corrosión, además de fiabilidad.
Al enfrentarse al reto de mecanizar estos nuevos materiales, los fabricantes intentan en primer lugar aplicar las prácticas de mecanizado conocidas, sin embargo, sólo consiguen realmente la máxima productividad al incorporar herramientas y técnicas diseñadas para su uso con estos materiales específicos y sus operaciones.
Por ejemplo, a mediados de la década de 1980 Seco estableció lo que se conoce como su Grupo Alfa de científicos e ingenieros para encontrar maneras de mecanizar los aceros inoxidables de forma más productiva. El grupo trabajó con varios fabricantes de acero inoxidable para desarrollar nuevas geometrías y calidades de metal duro, y también métodos de corte específicos para el acero inoxidable. En la década de 1990 el esfuerzo se amplió para incluir los materiales de la aleación HRSA de mayor rendimiento.
Además de las calidades de metal duro, recubrimientos y geometrías, se han desarrollado herramientas para optimizar la productividad del mecanizado de las aleaciones HRSA en segmentos específicos del mecanizado. Diseñada para las operaciones de mecanizado en desbaste, la calidad cerámica Sialon CS100 de Seco, por ejemplo, presenta un alto grado de resistencia química, una gran resistencia a la abrasión y una excelente tenacidad, lo que permite una vida útil de herramienta larga y consistente. Los parámetros de aplicación habituales del torneado en desbaste consisten en velocidades de corte de 150 m/min. a 305 m/min., avances de 0,2 a 0,4 mm/rev, y una profundidad de corte de 0,5 mm a 3,75 mm.
La calidad CS100 se complementa con Secomax CBN170, una calidad PCBN tenaz y resistente al desgaste, diseñada para el torneado en acabado sin corte interrumpido en las superaleaciones de níquel.
La calidad CBN170 incorpora un aglutinador cerámico que prolonga la vida útil de la herramienta y, por lo tanto, reduce el número de interrupciones de la máquina necesarios para cambiar los filos de corte. Está diseñada para satisfacer las necesidades de acabado superficial, tolerancia y longitud de corte exigentes en las operaciones de acabado de las superaleaciones de níquel. Las herramientas CBN170 están diseñadas para funcionar en situaciones de corte continuo, empleando refrigerante, con profundidades de corte de hasta 0,5 mm y velocidades de corte de 300 m/min. a 400 m/min. El contenido de CBN de la calidad es del 65% de su volumen, con un tamaño de grano de 2µ. Las plaquitas se proporcionan con unos preparados de aristade 25- µm.
Otras novedades destinadas a aumentar la vida útil de la herramienta y la productividad del mecanizado de las aleaciones HRSA incluyen la tecnología, como el sistema de refrigerante directo de alta presión (HPDC) Jetstream de Seco, que suministra refrigerante directo alfilo de corte. El flujo de refrigerante aparta la viruta de la zona de corte, mejorando el control de la viruta y la vida útil de la herramienta, lo que permite la aplicación de parámetros de mecanizado más agresivos. En algunos casos, el enfriamiento rápido de la viruta la vuelve más frágil y más propensa a fracturas.
Por:
Patrick de Vos, responsable de formación técnica corporativa del grupo Seco Tools
Con sede en Fagersta, Suecia, Seco Tools tiene una consolidada reputación mundial por el desarrollo de soluciones innovadoras de corte de metal y por el trabajo en estrecha colaboración con sus clientes para comprender y solucionar sus necesidades. Contamos con más de 5000 empleados en 50 países y favorecemos el crecimiento de los miembros de nuestro equipo mediante programas de formación, desarrollo y reconocimiento, todo ello dentro de un entorno abierto a la comunicación. Nuestros empleados se definen con tres premisas básicas: pasión por los clientes, espíritu familiar y compromiso personal. Así se define nuestra visión del negocio y el modo en que interactuamos tanto con nuestros compañeros como como con clientes, proveedores y otros colaboradores.
