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La baja maquinabilidad de estos materiales es uno de los retos a los que se enfrenta la industria del mecanizado de metales

Una aproximación al mecanizado de aleaciones exóticas o súper aleaciones

Andrei Petrilin, Technical Manager de Iscar Ltd

28/07/2021
¿Qué son las aleaciones o materiales exóticos, por qué son tan raros y cómo se mecanizan? Para entenderlo, empecemos por definirlos. Los materiales más utilizados en ingeniería son aleaciones con base hierro como los aceros, aceros inoxidables y fundiciones. Otro grupo de materiales usados con frecuencia son las aleaciones de base no férrica, como las de aluminio, latón y bronce. Además, existen los materiales de tipo exótico, desarrollados para responder a demandas específicas. Estos materiales exóticos están diseñados para aplicaciones específicas; son raros, no se utilizan habitualmente y su fabricación suele ser costosa.

No existe una definición rigurosa para los materiales exóticos. Muchos expertos denominan así a metales como el Berilio, Circonio, etc. y sus aleaciones, cerámicas, composites y super aleaciones. En cuanto a su utilización como materiales estructurales, las súper aleaciones y los composites ocupan el primer lugar. La baja maquinabilidad de estos materiales es uno de los retos a los que se enfrenta la industria del mecanizado de metales. Las súper aleaciones, o más específicamente las aleaciones a altas temperaturas (HTSA) están diseñadas para condiciones de altas cargas mecánicas y temperaturas. Se utilizan principalmente para turbinas de gas, diferentes tipos de válvulas y equipamiento petroquímico.

El ‘exotismo’ de las súper aleaciones reside en su diseño metalúrgico, que les dota de una elevada resistencia a la fatiga para evitar deformaciones a altas temperaturas. Atendiendo a su componente principal, las HTSA se puede dividir en tres grupos: Con base Níquel (Ni), Cobalto (Co) y Hierro (Fe). Estas súper aleaciones, especialmente las que tienen base Ni y Co, presentan una muy baja maquinabilidad.

Por otro lado, los denominados Composites son materiales multicomponentes. A diferencia de lo que ocurre con cualquier material tradicional, como el acero o el Aluminio, la forma y dimensiones de las piezas de composite son casi las de acabado, por lo que no requieren una significativa extracción de material. Sin embargo, los diferentes componentes de un composite presentan distintas propiedades, formando una estructura heterogénea que dificulta el mecanizado. El proceso de mecanizado de composites es diferente al de los metales y con frecuencia parece que se rompe en lugar de cortarse. La elevada capacidad de abrasión de los composites puede ocasionar una intensa pérdida del filo de corte de la herramienta, y otros problemas, como la degradación de la precisión o defectos de mecanizado irreparables.

La industria del mecanizado de metales ha avanzado significativamente en este campo. Las vanguardistas máquinas herramienta y las nuevas y efectivas estrategias de corte han elevado el rendimiento de las operaciones de mecanizado a un plano totalmente nuevo. El impresionante salto hacia delante de la impresión 3D, que puede reducir espectacularmente el número de operaciones de mecanizado, parece muy prometedor. Pero hay una ‘excepción’ que no permite aprovechar por completo el considerable incremento de las capacidades de las máquinas herramienta. Esta ‘excepción’ es la herramienta de corte. A pesar de su claro avance, las herramientas de corte siguen siendo un cuello de botella para la eficiencia del mecanizado. Por tanto, los planes de innovación para un mecanizado productivo de materiales exóticos están muy relacionados con las herramientas de corte.

Los fabricantes de herramientas de corte persisten en su esfuerzo para encontrar soluciones fiables y productivas para el mecanizado de materiales exóticos. En ocasiones puede parecer que los recursos tradicionales no son válidos y que sólo las novedades más vanguardistas pueden ofrecer grandes avances. De todas formas, los fabricantes de herramientas de corte ofrecen interesantes productos que combinan los medios y recursos disponibles con nuevas ideas.

Los últimos diseños de Iscar, lanzados durante los últimos años, son un claro ejemplo de esto y del esfuerzo de Iscar para solucionar el cuello de botella existente y encontrar nuevos caminos para avanzar.

Exóticos para exóticos: las ventajas de los materiales cerámicos

El metal duro sinterizado sigue siendo el principal material utilizado en mecanizado. El lanzamiento de las herramientas de corte de metal duro revolucionó la industria metalúrgica, garantizando un significativo crecimiento de la productividad debido al drástico incremento de las velocidades de corte. Sin embargo, a pesar de ello, hoy en día las velocidades de corte para súper aleaciones a altas temperaturas con base Níquel y Cobalto siguen siendo bajas, normalmente entre 25 y 50 m/min. ¿Cómo podemos ampliar esta gama de velocidad?

Actualmente los materiales exóticos cerámicos se consideran materiales de corte. Su utilización garantiza un nivel de velocidad de corte totalmente diferente. Por ejemplo, cuando se mecanizan súper aleaciones con herramientas cerámicas, una velocidad de 1000 m/min es perfectamente normal. Por este motivo las herramientas cerámicas son cada vez más comunes para el mecanizado de HTSA.

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Figura 1. Fresas con plaquitas redondas cerámicas.

Recientemente, Iscar ha desarrollado una familia de fresas que montan plaquitas de cerámicas de doble cara (Figura 1). Estas fresas están diseñadas principalmente para operaciones de desbaste y semiacabado de superficies planas y 3D con velocidades de corte extremadamente elevadas. Estas plaquitas se fabrican en diferentes calidades cerámicas, como ‘negras’, las whisker reforzada y SiAlON (un tipo de cerámica con base de Nitruro de Silicio), y su económico diseño de doble cara permite una gran utilización de este material cerámico. Con estas nuevas fresas se maximiza el índice de extracción de material (MRR) y se reduce espectacularmente la duración del tiempo de mecanizado.

Otro ejemplo del éxito de estos materiales para el mecanizado es uno de los últimos productos de Iscar: una familia de fresas integrales de SiAlNO (Figura 2). Están diseñadas específicamente para el desbaste productivo de súper aleaciones con base Níquel y de diferentes calidades de Inconel, Incoloy, Haynes, etc., para la industria aeroespacial. En comparación con las fresas de metal duro integral, las de SiAlNO permiten unas velocidades ¡hasta 50 veces superiores.

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Figura 2. Fresas integrales Iscar de SiAlNO (Nitruro de Silicio Aluminio).

Cabe señalar que el comportamiento de las herramientas cerámicas es diferente al de las de metal duro. En general, el final de la vida de una herramienta viene dado por el nivel de acabado superficial o por las rebabas generadas, más que por el desgaste de la herramienta.

Diamante de corte

En la fabricación de piezas de composite, el taladrado está ampliamente considerado como la operación principal. La mejora de las capacidades de las herramientas de taladrado ha tenido un impacto directo en la efectividad del mecanizado de composites y paquetes de composites.

Recientemente Iscar ha lanzado una serie de nuevas brocas integrales en una gama de diámetros de 3.3 a 12 mm, especialmente diseñadas para composites (Figura 3).

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Figura 3. Brocas recubiertas de diamante policristalino o puntas de diamante (PCD) soldado.

La característica de estas herramientas es el recubrimiento de diamante policristalino (PCD) o diamante para garantizar una elevada resistencia al desgaste por abrasión. Estas brocas pueden tener la punta de diamante PCD integral o una lámina de diamante integrada en la punta (brocas tipo wafer). Ambos tipos de brocas presentan una amplia zona que permite múltiples reafilados.

También existen las brocas de metal duro integral con toda la zona de corte con recubrimiento de diamante. El filo de corte ondulado reduce la formación de rebaba, especialmente durante el taladrado de plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) y paquetes de CFRP-aluminio.

Soluciones con refrigerante

En el mecanizado de súper aleaciones exóticas, un suministro de refrigerante efectivo es la piedra angular del éxito. La refrigeración a alta presión dirigida con precisión (HPC) es determinante para mejorar el rendimiento, aumenta la vida de la herramienta, mejora el control de viruta y ofrece una mayor productividad.

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Figura 4. Diversos tipos de llevar la refrigeración al punto óptimo están disponibles, se incide en la brida para aplicaciones de desbaste.

Uno de los lanzamientos de éxito de Iscar es una familia de herramientas de torneado con plaquitas ISO intercambiables (Figura 5). Disponen de un sistema de fijación por brida superior que mantiene a la plaquita con precisión en su asiento incluso en condiciones de corte interrumpido o pesado. Las herramientas de torneado con HPC anteriores tenían fijación por palanca, ya que la brida superior habría impedido que el refrigerante llegara al filo de corte.

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Figura 5. Herramientas de torneado con plaquitas ISO intercambiables, con fijación con brida superior.

La fijación por brida superior hueca ofrece dos ventajas:

  • Fijación de la plaquita fuerte y rígida
  • Elimina cualquier obstáculo que impida que el refrigerante alcance el filo de corte.

Por tanto, la brida tiene una característica funcional adicional, ya que en las nuevas herramientas actúa como una boquilla de refrigeración.

Estas herramientas con refrigeración interna también se pueden utilizar con éxito aplicando refrigeración externa a ‘baja’ presión (10-15 bars), obteniéndose un mayor rendimiento.

En aplicaciones de tronzado y ranurado, especialmente en ranurado profundo, una eficiente formación de viruta es crucial. La refrigeración a presión del filo de corte disminuye significativamente los atascos de virutas y reduce el recrecimiento del filo. Durante el pasado año, Iscar amplió su gama de productos HPC con herramientas para ranurado frontal con esta opción (Figura 6). Estas herramientas son adecuadas para una presión de refrigerante de hasta 140 bars.

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Figura 6. Adaptadores Iscar para ranurado frontal del sistema Modular-Grip.

La innovación en las geometrías nunca se detiene

La mejora de la geometría de corte agota todas las posibilidades. Una clara evidencia de esta conclusión es la variedad de nuevas soluciones que han ido mejorando las plaquitas existentes. Habitualmente estas soluciones están relacionadas con la avanzada formación de viruta, filos de corte reforzados y una preparación del filo progresiva.

El nuevo rompevirutas F3S de Iscar para el torneado de acabado de súper aleaciones exóticas (Figura 7) está diseñado para las populares plaquitas ISO (CNMG, WNMG etc.). Una operación típica de acabado se caracteriza por los bajos valores de profundidad de corte y avance. Por tanto, el éxito de un rompevirutas reside en la pequeña zona adyacente al filo de corte de la plaquita. Es todo un ‘arte’ y conlleva un gran esfuerzo rediseñar esta zona para obtener un rendimiento mucho mayor que el de la plaquita existente.

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Figura 7. Nuevo rompevirutas F3S de Iscar para el torneado de acabado de súper aleaciones exóticas.

El rompevirutas F3F es un ejemplo de éxito. Tiene un filo de corte reforzado para evitar el desgaste del núcleo y un deflector especial diseñado para un eficiente control de viruta en torneado de acabado de HTSA. Todo esto, junto con un desprendimiento positivo, garantiza un mecanizado suave y fácil, con excelente rotura de la viruta y una importante reducción de las fuerzas de corte.

El mecanizado de materiales exóticos enfrenta a los fabricantes de herramientas de corte a diferentes retos. Para desarrollar una herramienta de corte innovadora, estos fabricantes de herramientas lo intentan todo. A veces sus soluciones son realmente ‘exóticas’ y otras veces un pensamiento innovador permite continuar por el camino tradicional. En el caso de Iscar, se ve claramente que progresa sin descanso en la dirección adecuada para encontrar la solución óptima para las necesidades de la industria del mecanizado de materiales exóticos.

Empresas o entidades relacionadas

Iscar Ibérica, S.A.

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