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Mecanizado de alta velocidad

Herramientas para mecanizado a alta velocidad

Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker15/12/2002

1.    INTRODUCCIÓN:

En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV no existiría si no se dispusiera de herramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadas temperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las herramientas suponen actualmente una limitación en el mecanizado. Una  limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las causas más comunes por las que se desgastan las herramientas:

  • Desgaste por abrasión: desgaste producido por el contacto entre materiales más duros que la herramienta y la propia herramienta rayándola y desgastándola.
  • Desgaste por adhesión: cuando en la zona de corte debido a las altas temperaturas, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.
  • Desgaste por difusión: desgaste producido por el aumento de la temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta.
  • Fallas mecánicas: fallas producidas por estrategias, condiciones de corte, herramientas, etc. inadecuadas.
El material de la herramienta debe cumplir con habilidades específicas tales como:
  • Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformación pero tenaz para resistir los cortes intermitentes e inclusiones.
  • Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y estable para resistir la oxidación, para evitar que se genere el filo recrecido y desgaste prematuro.

Estas propiedades permitirán mecanizar con altas velocidades de corte, aumentar la vida de las herramientas, permitir obtener la mejor calidad superficial y dimensional posible en la pieza a mecanizar. 

Pero,  ¿cómo sabremos qué herramientas utilizar, qué papel juega cada una de sus propiedades? ¿Cómo seleccionaremos la herramienta adecuada para cada material?. Y, para cada aplicación en concreto, ¿cuáles son los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta como en la calidad superficial de la pieza: los recubrimientos, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado, longitud de la herramienta, etc.?

Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un estudio de las herramientas.    

2.    ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:

Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres campos clave en una herramienta:  (material de la herramienta),  geometría y recubrimiento.

2.1.    Sustrato

Aceros para trabajos en frío o en caliente - No se utilizan en el MAV

Acero rápido: una aleación de metales que contiene alrededor de un 20% de partículas duras. Apenas se utilizan en el MAV.

Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo unidas por un aglomerante a través de un proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC). El aglomerante típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de aluminio y silicio.

Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es recubierta con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV (deposición química por vapor), PVD (deposición física por vapor) y MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen equilibrio entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.

Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El aglomerante es níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad química y dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran dureza y resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCy MoC añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de fresado.

Cerámicos: Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al2O3) y las de nitruro de silicio (Si3N4). Son duras con alta dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales de la pieza. Sin embargo son muy frágiles. - Ideales para el mecanizado de piezas en duro y como reemplazo de las operaciones de rectificado. · 

Nitruro de Boro Cúbico (CBN): Es uno de los materiales más duros. Ocupa el segundo lugar después del diamante. Dreza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidad química durante el mecanizado. Es frágil, pero más tenaz que las cerámicas.

Diamante policristalino (PCD): Es casi tan duro como el diamante natural. Este diamante sintético tiene una increíble resistencia al desgaste y una baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida de la herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas de corte no deben exceder 600 ºC , no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, y no sirve para cortar para materiales tenaces.

2.2.    Geometría

Espiga (cuello) cónica: Con el fin de mejorar la rigidez. 

Alma de gran diámetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las vibraciones y el riesgo de mellado de los filos. Menor flexión y una mejor tolerancia de la pieza mecanizada.

Cuello de la herramienta rebajado: Mayor alcance en cajeras profundas. Evita el contacto y los roces. Reduce las vibraciones.

Mango cilíndrico largo: Para una mejor sujeción y equilibrio.

Ángulo de desprendimiento negativo (-15º): Mayor estabilidad y resistencia del filo. Menor tiempo de contacto con la viruta. El calor se transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado superficial. Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la forma definitiva. 

2.3    Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a mecanizar. 

Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando la adherencia de material al filo. Herramientas de pocos labios (2) con ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuación de grandes caudales de viruta.

Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez. Mucha hélice para disminuir la resistencia al corte y mejorar el acabado. Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta - menor absorción de calor, viruta corta.

Herramientas enterizas y de insertos

Enterizas: Mayor precisión, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza. Disposición de herramientas de cualquier diámetro. Elevado coste. Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad de una estrecha relación proveedor-usuario. 

De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional. Diámetros cercanos a los 8mm. Solo metal duro para MAV. Normalmente para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad de reposición.

2.4    Recubrimientos

  • Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos: 
  • Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.
  • Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte
  • Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta.
  • Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza
  • El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”. 
  • Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor

2.4.1    Recubrimientos de TiAlN 

Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN.

TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio aluminio que destacan por su dureza, estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.
  • Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza 3.000 (Hv 0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas de corte de acero rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en mecanizados a altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad de lubricante.
  • Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones de mecanizado severas. Su elevada dureza, 3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºc, y química hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales térmicamente tratados empleados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.

2.4.2    Recubrimiento de diamante

Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizado de estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies mecanizadas y la precisión dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya dureza es superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y poder aumentar las velocidades de corte, disminuyendo así de manera importante el tiempo de mecanizado, se consigue un buen acabado de la superficie y una buena precisión dimensional.

2.4.3    Recubrimiento WC/C:

Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor  de los 200 ºC. Al realizarse el proceso de recubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración, galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la ultima operación dentro de los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una combinación única de características: Bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.

2.4.4    Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C

Este recubrimiento  hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formación y evacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y roscados.

Recubrimiento TiN TiCN WC/C TiAlN (monocapa) +WC/C TiAlN (multicapa) TiAlN (monocapa)
Microdureza 2300 3000 1000 2.600-1.000 3000 3500
Coeficiente de rozamiento contra el acero 0,4 0,4 0,2 0.2 0,4 0,4
Temperatura máxima de trabajo 600 400 300 1000 800 800
Color oro-amarillo azul-gris gris oscuro violeta-gris púrpura-gris
Espesor del recubrimiento 1-4 1-4 1-4 2-6
(1/3 wc/c; 2/3 TiAlN)
1-5 1-3

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