Cornellá de Llobregat, julio 2014 – El acero inoxidable es un material a mecanizar versátil que se puede usar ampliamente en aquellos casos en los que son esenciales la fuerza y la resistencia al calor y a la corrosión. Sin embargo, las mismas propiedades que hacen que las aleaciones de acero inoxidable sean materiales estructurales excepcionales también complican los procesos empleados para mecanizarlos. Una cuidada combinación entre las propiedades de la herramienta de corte, las geometrías y la aplicación de parámetros de corte puede aumentar significativamente la productividad de las operaciones de mecanizado en acero inoxidable.
Evolución de la aleación
Las aleaciones de acero inoxidable básicas se clasifican como ferríticas o martensíticas. Las aleaciones ferríticas con un contenido de cromo del 10-12 por ciento, no se pueden templar. Las aleaciones martensíticas tienen un contenido más elevado de cromo y carbono que los aceros inoxidables ferríticos, así como contenido de manganeso y silicio, lo que produce una aleación que se puede templar mediante tratamiento térmico. Hoy en día, las aleaciones de acero inoxidable ferríticas y martensíticas no se utilizan mucho por lo general en entornos industriales, sino en artículos para el hogar tales como herramientas para cocina o jardín.
A medida que el uso del acero inoxidable ha evolucionado, las aleaciones se aplican frecuentemente en situaciones que requieren resistencia mecánica, así como resistencia a la corrosión. Para mejorar la resistencia de las aleaciones, los metalúrgicos han añadido níquel a las aleaciones, de manera que las aleaciones de hierro/cromo se han convertido en aleaciones de hierro/cromo/níquel. Estos materiales se denominan aceros inoxidables austeníticos y actualmente son comunes en las aplicaciones industriales en las que son necesarias la fuerza y la resistencia a la corrosión y al calor. Estas aleaciones normalmente se utilizan en la industria petroquímica, en el sector de la alimentación, ya que las normas de higiene requieren resistencia a la corrosión y en general maquinaria diseñada para su uso en entornos hostiles.
Inevitablemente, el aumento de las capacidades de rendimiento de una aleación, tales como el acero inoxidable, también multiplican los problemas de mecanizado. Las características de resistencia a la corrosión de las aleaciones de acero inoxidable martensíticas y ferríticas son básicamente propiedades químicas y, como resultado, estas aleaciones no son mucho más difíciles de mecanizar que los aceros sencillos. Sin embargo, las adiciones de níquel y otros elementos a los aceros inoxidables austeníticos producen una mayor dureza, tenacidad, resistencia a la deformación y propiedades térmicas que disminuyen la maquinabilidad.
Conocer las aleaciones
Hasta hace poco, el mecanizado de acero inoxidable austenítico no se entendía bien. Los fabricantes de herramientas suponían que, puesto que las aleaciones eran más fuertes, las fuerzas de corte mecánicas serían mayores y, por tanto, sería necesario aplicar herramientas más fuertes de geometría negativa que redujeran los parámetros de corte. Sin embargo, este método produjo herramientas con una vida útil corta, virutas largas, rebabas frecuentes, rugosidad superficial insatisfactoria y vibraciones no deseadas.
En realidad, las fuerzas de corte mecánicas resultantes en el acero inoxidable austenítico no son mucho mayores que las que se usan normalmente al mecanizar aceros tradicionales. La mayor parte del consumo de energía adicional necesario para mecanizar aceros inoxidables austeníticos es el resultado de sus propiedades térmicas. El mecanizado es un proceso de deformación y, cuando se mecaniza un acero inoxidable austenítico resistente a la deformación, la operación genera un calor excesivo.
Evacuar ese calor de la zona de corte es vital. Lamentablemente, además de ser resistente a la deformación, el acero inoxidable austenítico también tiene una baja conductividad térmica. Las virutas creadas durante el mecanizado de aceros sencillos absorben y transportan el calor, pero las virutas del acero inoxidable austenítico absorben el calor sólo hasta cierto punto. Además, como la misma pieza tiene mala conductividad térmica, el exceso de calor entra en la herramienta de corte, lo que da lugar a una vida
útil corta de la herramienta.
Los fabricantes de herramientas crearon sustratos de metal duro para ofrecer suficiente dureza para soportar las elevadas temperaturas que se generan durante el mecanizado del acero inoxidable. Al mismo tiempo, la misma importancia tiene la composición del sustrato como el preparado de arista. Una herramienta con más arista viva corta el acero inoxidable más que deformarlo, y, por lo tanto, reduce la generación de calor.
Parámetros de corte agresivos
En interés de la evacuación del calor de la zona de corte, la manera más eficaz de mecanizar el acero inoxidable es emplear las mayores profundidades de corte y avances. El objetivo es maximizar la cantidad de calor que se elimina en las virutas. Puesto que la mala conductividad térmica del acero inoxidable limita la cantidad de calor que puede absorberse por cada milímetro cúbico de material de viruta, la creación de virutas más largas, con más milímetros cúbicos de volumen, eliminará más calor. Si se utilizan mayores profundidades de corte también se reducirá el número de pasadas necesarias para completar una pieza, un aspecto importante puesto que el acero inoxidable austenítico presenta tendencia a la deformación o endurecimiento al ser mecanizado.
Existen limitaciones prácticas para estos métodos de mecanizado agresivos. Los requisitos del acabado superficial, por ejemplo, limitarán el avance máximo. La potencia disponible de la máquina, así como la fuerza de la herramienta de corte y la pieza, también imponen limitaciones a la agresividad de los parámetros que se pueden emplear.
Estrategias de refrigerante
Las problemáticas propiedades térmicas de las aleaciones de acero inoxidable austenítico sugieren que la aplicación de refrigerante es casi siempre fundamental para el éxito del mecanizado. El refrigerante debe ser de alta calidad, con un contenido de aceite mínimo del ocho o nueve por ciento en una emulsión de agua/aceite, en comparación con el tres o cuatro por ciento de contenido de aceite típico de muchas operaciones de mecanizado.
La forma en que se aplica el refrigerante también es importante. Cuanto mayor sea la presión al aplicar el refrigerante en la zona de corte, mejor hará su trabajo. Las tecnologías como el Jetstream Tooling® de Seco, que aplican un flujo de refrigerante de alta presión directamente a la zona de corte, son incluso más eficaces.
Recubrimientos vs. desgaste de las herramientas
Un recubrimiento duro depositado en la superficie del sustrato de la herramienta refuerza la dureza en caliente en la superficie de la herramienta y mejora la vida útil en entornos de altas temperaturas. Sin embargo, un recubrimiento, en general, debe ser grueso para aislar el sustrato de la herramienta del calor, y un recubrimiento grueso no se adhiere bien a una geometría muy afilada. Los fabricantes de herramientas de corte son los encargados de diseñar recubrimientos que sean finos pero que proporcionen una buena
barrera contra el calor.
Los aceros inoxidables austeníticos presentan una alta ductilidad y una tendencia de adherencia a la herramienta de corte. La aplicación de un recubrimiento puede evitar también el desgaste por adherencia, algo que ocurre cuando el material mecanizado se pega y se acumula en el filo de corte. El material adherido puede entonces romper secciones del filo de corte, lo que conduce a un pobre acabado superficial y al fallo de la herramienta. El recubrimiento puede proporcionar lubricidad que limita el desgaste por adherencia, mientras que las mayores velocidades de corte también sirven para reducir el mecanismo de desgaste por adherencia.
Algunas aleaciones de acero inoxidable austenítico contienen inclusiones duras y abrasivas, por lo que el aumento de la resistencia a la abrasividad de la herramienta de corte, en combinación con un recubrimiento duro, puede beneficiar la vida útil de la herramienta.
El mellado se produce debido a las tendencias de las aleaciones a la deformación y al autotemple de corte durante el mecanizado. El mellado se puede describir como desgaste por fricción extrema muy localizada, y se puede mitigar mediante la aplicación de los recubrimientos adecuados y otras acciones como, por ejemplo, variar la profundidad de corte para ampliar las zonas de desgaste del filo de corte.
Desarrollo de la herramienta
Los fabricantes de herramientas centran el desarrollo actual de herramientas de corte en la búsqueda de un equilibrio entre las propiedades de la herramienta que proporcionarán un rendimiento óptimo en un material a mecanizar específico. La investigación sobre la calidad del metal duro busca un equilibrio entre dureza y tenacidad, de manera que una herramienta no sea tan dura que se fracture pero que sea lo suficientemente tenaz para resistir a la deformación. De igual manera, es preferible una geometría de filo de arista viva, aunque no es tan fuerte como un filo redondeado. Por lo tanto, el objetivo del desarrollo de geometrías de filos es crear herramientas con un equilibrio entre la arista viva y la máxima robustez posible.
Como parte del proceso de desarrollo, los fabricantes de herramientas están revisando sus directrices sobre las aplicaciones de la herramienta. Las recomendaciones actuales sobre los parámetros de mecanizado se basan, en su mayor parte, en la tenacidad y dureza de los aceros tradicionales, sin tener en cuenta los factores térmicos que son tan importantes durante el mecanizado de aceros inoxidables austeníticos y de otras aleaciones de alto rendimiento. Recientemente, los fabricantes de herramientas han comenzado a trabajar con instituciones académicas para revisar los procedimientos de pruebas de las herramientas para tener en cuenta las características térmicas de ciertos materiales.
Las nuevas directrices reflejan la creación de nuevos materiales de referencia. Tradicionalmente, los estándares de maquinabilidad se establecían de acuerdo con un material de referencia, un acero aleado, y según las cargas mecánicas producidas durante el mecanizado. Ahora hay un conjunto de material de referencia aparte para los aceros inoxidables austeníticos, para los que se han establecido unos valores de referencia referentes a la velocidad, avance y profundidad de corte. Con respecto al material de referencia, se aplican los factores de equilibrio o calibración para determinar los cambios en los valores base que lograrán una productividad óptima en materiales con diferentes características de mecanizado.
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Geometrías específicas para materiales específicos
Muchas herramientas de corte proporcionan un rendimiento muy aceptable en diversos materiales y en una amplia variedad de condiciones de corte y parámetros de mecanización. Para trabajos de una sola vez con requisitos de calidad y productividad moderados, estas herramientas pueden ser una opción rentable. Para conseguir el máximo rendimiento, sin embargo, los fabricantes de herramientas continúan tratando de manipular y mantener el equilibrio en una gran variedad de elementos de corte para crear herramientas que ofrezcan alta productividad y fiabilidad del proceso de materiales a mecanizar específicos.
Los elementos básicos de una herramienta incluyen el sustrato, recubrimiento y geometría. Cada uno de ellos es importante, y en las mejores herramientas funcionan como un sistema que produce resultados más allá de la suma de todas las piezas separadas.
Hay diferencias entre las funciones que tienen las piezas de la herramienta. El sustrato y el recubrimiento tienen funciones pasivas y están diseñados para ofrecer un equilibrio entre dureza y tenacidad, así como para resistir a altas temperaturas, sustancias químicas, adhesión y desgaste abrasivo. La geometría de la herramienta, por otro lado, desempeña un papel activo porque al alterar la geometría puede cambiar la cantidad de metal que se puede quitar en un determinado periodo de tiempo, la cantidad de calor que se genera, cómo se forman las virutas y qué acabado superficial se puede conseguir.
Algunos ejemplos básicos de cómo cambia el rendimiento según las diferentes geometrías incluyen plaquitas con geometría para torneado tradicionales de Seco llamadas p.ej. M3 y M5, que presentan geometrías de filo de corte negativo (0? distancia angular) y filos -T entre el filo de corte y la zona de corte de la herramienta. La geometría M3 es una geometría para semidesbaste versátil que ofrece una buena vida útil y una rotura de la viruta en una amplia gama de materiales a mecanizar. La geometría M5 está diseñada para exigentes aplicaciones de desbaste con altos avances, por lo que combinan una gran resistencia en el filo de corte con fuerzas de corte relativamente bajas.
Aunque versátiles, las geometrías M3 y M5 son robustas, no son completamente con arista viva y generan una buena cantidad de calor, ya que se deforman durante el mecanizado de los aceros inoxidables austeníticos. En comparación, los diseños de herramienta que pueden ser más efectivos en el mecanizado de acero inoxidable incluyen las geometrías MF4 y MF5 de Seco, que tienen la arista más viva, con filos -T positivos. Las geometrías se han diseñado para ser abiertas y ser fáciles de mecanizar para facilitar las operaciones de medio desbaste y de acabado en los aceros y aceros inoxidables. La geometría MF5 es especialmente eficaz en aplicaciones de altos avances.
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.
