En este artículo se presentan los resultados obtenidos en ensayos de torneado en seco del acero AISI 303 en condiciones de alto rendimiento

Mecanizado de aceros inoxidables austeníticos en condiciones de alto rendimiento

Ana Isabel Fernández Abia, Joaquín Barreiro García, Universidad de León. Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación21/05/2012

21 de mayo de 2012

La situación económica actual de fuerte competitividad, obliga a las empresas a aumentar el rendimiento de los procesos de fabricación. Las empresas occidentales se ven obligadas a competir con países donde los costes salariales son reducidos y la legislación en materia de salud, seguridad y protección del medio ambiente es muy permisiva, lo que permite fabricar a muy bajo coste. Esta situación plantea un reto importante a todas las empresas productivas basado en una mejora de los procesos de fabricación que permita fabricar rápido, con calidad y a bajo coste. En el sector de arranque por viruta, el mecanizado de alto rendimiento permite fabricar productos de alto valor añadido, es decir, piezas de alta calidad, obtenidas en reducidos tiempos de fabricación y con menores costes de producción; además realizado de un modo ecológico y de forma desatendida.

El mecanizado de alta velocidad, junto con el desarrollo de técnicas alternativas de refrigeración que permiten reducir el uso de fluidos de corte y los desarrollos en sistemas de monitorización, permiten alcanzar estos objetivos. Pero el desarrollo de estas tecnologías sólo es posible si se producen avances en las máquinas-herramienta, en las herramientas de corte, se avanza en la modelización de los procesos y se tiene un profundo conocimiento del comportamiento de los materiales al mecanizado.

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Figura 1: Objetivos del mecanizado de alto rendimiento.

A pesar de su importancia estas tecnologías no están desarrolladas por igual para todos los materiales. En la actualidad hay ausencia de información para determinados materiales, como los aceros inoxidables austeníticos que a pesar de tener gran importancia económica y tecnológica, no se ha analizado su comportamiento al mecanizado en condiciones de alto rendimiento.

Los aceros inoxidables tienen una alta importancia económica pues representan el 10% de la producción mundial de aceros, y dentro de ellos los aceros de la serie 300 representan el 70% del consumo total de aceros inoxidables, debido a sus elevadas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. De acuerdo con los datos ofrecidos por el International Stainless Steel Forum (ISSF), la producción mundial de acero inoxidable está experimentando un continuo crecimiento y se prevé que el consumo siga aumentando cada año. En 2011 la producción mundial de acero inoxidable creció un 3,3%, alcanzando un nuevo record con un volumen total de 32,1 millones de toneladas.

El acero inoxidable es un material altamente sostenible y con alta durabilidad. Estos factores hacen que sean materiales de elevado uso. Actualmente el factor medioambiental es muy importante a la hora de seleccionar un material y los aceros inoxidables son materiales altamente reciclables ya que al final de su vida útil se separan y recuperan no llegando a ser residuos. Los elementos de los aceros inoxidables como el cromo, níquel y molibdeno son altamente valiosos y por tanto hacen que el reciclaje sea viable económicamente. Al contrario que otros materiales de ingeniería, el acero inoxidable se recicla sin degradarse.

Hoy en día los aceros inoxidables se utilizan en numerosos sectores, fundamentalmente en la industria química, alimentaria, en medicina, en construcción y automoción. Un elevado porcentaje de estas aplicaciones precisan de alguna operación de mecanizado, por lo que es un área que está en proceso de crecimiento constante. Un sector de importante consumo de acero inoxidable austenítico es el del decoletaje, donde se fabrican grandes series de piezas de tamaño pequeño y mediano, siendo fundamental fabricar componentes de alta calidad en tiempos muy reducidos.

En la actualidad este tipo de piezas se fabrican en máquinas-herramienta automáticas con cabezal deslizante, tornos CNC multihusillo y monohusillo o máquinas multitarea, en las que el coste de hora/máquina es muy elevado y por tanto, para que el proceso sea rentable, es importante reducir el tiempo de fabricación. Por ello, es necesario dedicar especial atención a la mejora y aumento del rendimiento del proceso de torneado de estos materiales utilizando condiciones de corte severas que permitan reducir el tiempo de mecanizado.

Los aceros austeníticos son materiales de baja maquinabilidad y en general se mecanizan a velocidades de corte muy conservadoras (entre los 100 y 250 m/min). Del mismo modo las investigaciones de torneado de estos materiales se han realizado en el entorno de estas velocidades de corte, donde predomina el concepto de vida económica de herramienta. Sin embargo, en el contexto actual, donde el coste de hora/máquina es muy elevado, es prioritario reducir el tiempo de fabricación.

Este objetivo se puede conseguir mejorando la maquinabilidad de estos aceros añadiendo elementos de aleación. Esta línea es de interés para las grandes siderúrgicas preocupadas en fabricar aceros de maquinabilidad mejorada. Otra alternativa es optimizar el proceso de corte trabajando a velocidades de corte superiores a las tradicionalmente empleadas, ya que a pesar de que en estas condiciones se reduce la duración de la herramienta, en general se reduce el coste por pieza. Un incremento en la velocidad de corte tiene gran influencia en la productividad y reduce el coste por pieza en un elevado porcentaje porque afecta a los costes de máquina, generales y de mano de obra. Sin embargo, un incremento en la vida útil de la herramienta sólo tiene un efecto marginal en la actualidad.

Por tanto, para alcanzar altos niveles de productividad y aprovechar la capacidad de las máquinas-herramienta actuales, es preciso explorar y caracterizar el comportamiento del material y de la herramienta cuando se trabaja en condiciones de corte severas, con valores de los parámetros de corte superiores a los tradicionalmente empleados.

Ensayos de torneado en seco del acero AISI 303 en condiciones de alto rendimiento

A continuación se presentan los resultados obtenidos de una serie de ensayos de torneado con acero inoxidable, realizados a velocidades muy superiores a las recomendadas por los fabricantes de herramientas y sin uso de refrigerante. En concreto, se ha analizado el efecto de la velocidad de corte en el torneado del acero inoxidable austenítico AISI 303. Éste es un acero modificado con la adición de azufre para mejorar la maquinabilidad y es de uso habitual en la fabricación de largas series de piezas en tornos automáticos u otras máquinas-herramienta.

Para llevar a cabo el estudio se han realizado operaciones de cilindrado manteniendo constante el avance y la profundidad de corte y variando la velocidad de corte en un amplio rango, desde 37 hasta 870 m/min, velocidad muy por encima de las habituales para el torneado de estos materiales. Se ha analizando el efecto de la velocidad sobre las fuerzas, la calidad de las piezas, la formación de viruta y el desgaste de la herramienta.

Se ha utilizado una herramienta comercial, habitual en el mecanizado de estos aceros, producida por Sandvik, con geometría típica para operaciones de cilindrado, TNMG 160408-MM. Es una herramienta de metal duro con recubrimiento multicapa. El sustrato de la plaquita equivale a un M25 y tiene un recubrimiento CVD de 5,5 µm (TiCN-Al2O3-TiN).

En la figura 2 se muestran los resultados para la fuerza principal de corte a las diferentes velocidades. Cuando la velocidad de corte aumenta desde 35 hasta 450 m/min, la fuerza de corte disminuye y tienden a aumentar a velocidades superiores a 450 m/min.

Este resultado es debido al comportamiento viscoplástico del material, que se explica en la conocida ley de Johnson-Cook, que incluye los efectos de la velocidad de deformación y la temperatura en la deformación plástica del material. De acuerdo con esta ley, el material presentará distinto comportamiento según sea el balance entre el endurecimiento por velocidad de deformación y el ablandamiento térmico del material. Por tanto, en la zona A, la disminución de las fuerzas con el aumento de la velocidad se explica porque en esta zona predomina el ablandamiento térmico del material. Cuando el ablandamiento térmico supera al endurecimiento, disminuye la resistencia del material y por tanto las fuerzas de corte. En la zona B, las fuerzas aumentan con la velocidad porque en esta zona predomina el endurecimiento por la velocidad de deformación. Por tanto, se establece la velocidad de 450 m/min como la velocidad a la cual tiene lugar un cambio en el comportamiento del material durante el proceso de cizalladura.

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Figura 2: Evolución de las fuerzas de corte con la velocidad de corte.

Este cambio en el comportamiento del material a la velocidad de 450 m/min, también se pone de manifiesto en la calidad de la superficie mecanizada. En las imágenes de la figura 3, realizadas con un microscopio electrónico de barrido, se observan las superficies de las piezas mecanizadas a las distintas velocidades de corte.

Para las velocidades de corte muy bajas se observan cavidades y partículas de material debido al filo aportado que tiene lugar a muy bajas velocidades de corte. Estos defectos desaparecen a medida que aumenta la velocidad y entre 400 y 600 m/min no se observa ningún defecto excepto las marcas de avance típicas de las superficies torneadas. Además, el menor valor de rugosidad corresponde a la superficie mecanizada a 600 m/min. A partir de esta velocidad comienza a aparecer restos de material a lo largo de las marcas de avance y para las velocidades más severas se hace evidente el flujo secundario de material.

Este fenómeno está relacionado con la formación de virutas de reducido espesor y con el desgaste de la herramienta en el filo secundario, según estudio realizados por varios autores. Ambos mecanismos se han observado durante el proceso de corte a altas velocidades.

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Figura 3: Efecto de la velocidad de corte en las superficies mecanizadas.

El análisis de las virutas ha puesto de manifiesto que para todas las velocidades de corte las virutas son segmentadas, como consecuencia de la baja conductividad térmica y el endurecimiento por deformación de los aceros inoxidables. Además se ha comprobado que a medida que aumenta la velocidad de corte se obtiene una viruta de menor longitud.

En la figura 4 se presenta el cambio del espesor de la viruta con la velocidad de corte. Se observa una severa disminución del espesor para las velocidades más altas. Estas virutas de reducido espesor favorecen el mecanismo de flujo secundario de material, fenómeno observado para las mayores velocidades de corte. Además, de acuerdo con la teoría clásica de corte, la disminución del espesor de viruta aumenta el factor de recalcado y el ángulo de cizalladura, que alcanza valores próximos a 40º, disminuyendo el área de corte, y para una misma resistencia del material se reducen las fuerzas necesarias para formar la viruta.

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Figura 4: Evolución del espesor de viruta (hc) con la velocidad de corte.

El desgaste de las herramientas se analizó usando el microscopio electrónico de barrido (SEM) y técnicas de microanálisis (EDX). En la superficie de las herramientas se ha observado la formación de la capa protectora de sulfuro de manganeso típica de los aceros de maquinabilidad mejorada, como es el caso del acero inoxidable AISI 303. La estabilidad de esta capa protectora depende de la velocidad de corte. En la figura 5 se muestran las imágenes tomadas en la superficie de desprendimiento de las herramientas a distintas velocidades. Se observa que a velocidades inferiores a 450 m/min la capa de MnS es uniforme a lo largo del filo de corte y se extiende sobre la superficie de desprendimiento, actuando como una barrera al desgaste difusivo y previniendo la soldadura del material de trabajo en la superficie de la herramienta. Sin embargo, a altas velocidades de corte la capa de MnS es irregular, debido al aumento de la temperatura. Esta capa es viscosa e inestable y no llega a proteger el filo secundario de la herramienta, dejando esa zona desprotegida, dando lugar a la soldadura del material en el borde de la herramienta y un severo desgaste en el filo secundario, que favorece el flujo secundario de material.

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Figura 5: Desgaste en cráter de la herramienta a distintas velocidades de corte.

Este estudio ha permitido analizar el comportamiento del acero inoxidable austenítico y el desgaste de la herramienta durante el torneado en condiciones de corte adecuadas para el desarrollo tecnológico de máquinas y herramientas. Se ha identificado la velocidad de corte a la cual el material presenta un cambio en su comportamiento durante el proceso de cizalladura. Esta velocidad se establece en 450 m/min. Se ha comprobado que en el rango de velocidades de corte, comprendido entre 450 y 600 m/min, el comportamiento del material es muy favorable y por tanto son condiciones muy interesantes para el mecanizado de alto rendimiento. Por otro lado se ha observado que el desgaste de la herramienta es superior a altas velocidades, pero, como ya se ha comentado, en la actualidad resulta más rentable incrementar las condiciones de corte que la vida de la herramienta.

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