Los fabricantes aeroespaciales combinan máquinas, herramientas, geometrías y materiales de herramientas para mecanizar las HRSA

La industria aeroespacial se ha fijado el objetivo de reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero para 2050, según informa el LA Times. Las normativas sobre emisiones más exigentes requieren temperaturas de servicio más elevadas para los nuevos tipos de motores y nuevos materiales como las superaleaciones termorresistentes (HRSA) para los componentes más calientes. Sin embargo, para los fabricantes es difícil el mecanizado eficiente de componentes de HRSA. En este artículo se explica por qué una estrategia global equilibrada que abarque la máquina, las herramientas, las geometrías y los materiales de las herramientas es esencial para el mecanizado eficiente de componentes de HRSA para motores aeroespaciales.

Las HRSA son los principales materiales usados en los componentes del compresor y la turbina de los motores a reacción. Las principales calidades empleadas para estas aplicaciones son los tipos con base de níquel, como Inconel, Waspaloy y Udimet. No obstante, las propiedades de las HRSA varían en gran medida dependiendo de la composición y del proceso de producción. En particular, el tratamiento térmico es de gran relevancia: un componente templado por precipitación, es decir, ‘envejecido’, puede presentar el doble de dureza que una pieza suavemente recocida o no tratada.

Las normativas cada vez más exigentes en materia de emisiones obligan a los nuevos tipos de motores a alcanzar temperaturas de servicio más elevadas, por lo que se necesitan materiales nuevos para los componentes más calientes. En respuesta a estos retos, la cantidad total de HRSA en motores de reacción es mayor en comparación con otros materiales.

Sin embargo, las ventajas de las HRSA se ven contrarrestadas por los problemas de fabricación. Primero, la intensidad de las altas temperaturas provoca fuerzas de corte elevadas; segundo, la baja conductividad térmica y los excelentes resultados de templabilidad generan temperaturas de corte muy elevadas; Y, finalmente, las tendencias de templado de la pieza provocan desgaste en entalla.

Los discos de turbina, las carcasas, los álabes y los ejes son piezas exigentes; gran parte de ellas son de paredes finas y de formas complejas. Estos componentes de los motores, con un papel clave en la seguridad, deben cumplir con estrictos criterios de calidad y precisión dimensional. Las condiciones previas para alcanzar el éxito incluyen disponer de una máquina potente, de herramientas rígidas, de plaquitas de alto rendimiento y de una programación óptima.

Los métodos de mecanizado dominantes son variables; por lo general, los discos, los anillos y los ejes se tornean, mientras que las carcasas y los álabes se suelen fresar. Encontrará más información sobre estos métodos en la web de Sandvik Coromant específica para el conocimiento de la aplicación de los motores aeronáuticos, aeroknowledge.com.

El mecanizado de HRSA suele dividirse en tres etapas. Durante la primera etapa de mecanizado (FSM, por sus siglas en inglés), una pieza en bruto forjada o fundida recibe su forma básica. La pieza suele encontrarse en estado blando (con una dureza Rockwell típica de en torno a 25 HRC), pero a menudo presenta una corteza rugosa e irregular, o cascarilla. La prioridad principal es una excelente productividad y una retirada de material eficiente.

Entre la primera etapa y la fase intermedia de mecanizado (ISM, por sus siglas en inglés), la pieza recibe un tratamiento térmico para alcanzar un estado envejecido de dureza muy superior (por lo general, en torno a 36-46 HRC). En este punto, el componente puede recibir su forma final, salvo por la tolerancia permitida, que se deja para la fase de acabado. Una vez más, los esfuerzos se centran en la productividad, aunque también es importante la seguridad del proceso.

Durante la última etapa de mecanizado (LSM, por sus siglas en inglés), se crean la forma final y el acabado superficial. En este caso, el foco se pone en la calidad superficial y la precisión de las tolerancias dimensionales, así como en evitar las deformaciones y el exceso de esfuerzo residual. En componentes giratorios críticos, las propiedades de fatiga constituyen el criterio de mayor importancia y no existe margen para defectos superficiales que puedan iniciar la formación de grietas. La precisión y la fiabilidad de los componentes críticos se garantizan mediante la aplicación de un proceso de mecanizado certificado y de eficacia probada.

Los requisitos generales para las plaquitas intercambiables incluyen una excelente tenacidad del filo y una elevada adhesión entre el sustrato y el recubrimiento. Si bien se emplean formas básicas negativas por su alta resistencia y su asequibilidad, la geometría debe ser positiva.

Siempre debe aplicarse refrigerante al mecanizar HRSA, salvo al fresar con plaquitas de cerámica. Las plaquitas de cerámica requieren un volumen abundante, mientras que, en el caso del metal duro, lo esencial es la precisión del chorro. Al usar plaquitas de metal duro, el refrigerante a alta presión ofrece más ventajas, como una vida útil prolongada de la herramienta y un control de virutas eficiente.

Los parámetros de mecanizado varían en función de las condiciones y del material. En la primera etapa del mecanizado, se busca principalmente una buena productividad mediante el uso de altas velocidades de avance y grandes profundidades de corte. En la fase intermedia de mecanizado, se suelen utilizar plaquitas de cerámica para alcanzar velocidades más elevadas. Las etapas finales se centran en la calidad, por lo que la profundidad de corte es más reducida. Dado que una velocidad de corte demasiado elevada puede deteriorar la calidad superficial, para el acabado se utilizan plaquitas de metal duro.

La deformación plástica y la entalla son los mecanismos de desgaste más habituales de las plaquitas de metal duro, mientras que el desgaste por corte superior es más común en las plaquitas de cerámica. La vulnerabilidad a la deformación plástica disminuye al aumentar la resistencia al desgaste y al calor. Una geometría positiva y un filo agudo son también factores importantes para reducir la generación de calor y las fuerzas de corte. Para evitar el desgaste en entalla en el filo de corte principal, se recomienda un ángulo de posición pequeño; por ejemplo, a través del uso de plaquitas redondas o cuadradas, o una profundidad de corte inferior al radio de punta.

Las plaquitas con recubrimiento por deposición física en fase de vapor (PVD, por sus siglas en inglés) son más resistentes al desgaste en entalla en el filo principal, mientras que una plaquita con recubrimiento por deposición química en fase de vapor (CVD, por sus siglas en inglés) es más resistente al desgaste en entalla en el borde final. En la fase de acabado, el desgaste en entalla en el borde de salida puede dañar el acabado superficial.

Un mecanizado eficiente de componentes de motores fabricados con HRSA requiere una solución integral bien equilibrada que, específicamente, debe tener en cuenta factores como el estado de la pieza, el material de la herramienta y las recomendaciones asociadas de datos de corte, así como el uso de refrigerante y de estrategias de mecanizado optimizadas. Teniendo en cuenta estos factores, los fabricantes pueden contribuir al objetivo de la industria aeroespacial de reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero para 2050.