Mecanizado asistido con chorro de refrigerante a alta presión

Tradicionalmente las superaleaciones de Titanio [1] y Níquel están consideradas como materiales de difícil maquinabilidad debido principalmente a su baja conductividad térmica (que aumenta la concentración de calor en la zona de corte) y su alta reactividad química con los materiales de la herramienta, lo que provoca problemas de adhesión al filo de corte, además de una clara tendencia a la formación de filo recrecido. Asimismo la cizalladura durante el mecanizado da lugar a la formación de virutas con forma de diente de sierra, altamente abrasivas, que dificultan significativamente su manejo.

Además de las características mencionadas, la pobre maquinabilidad de materiales como el Inconel 718 va asociada al endurecimiento por deformación que sufre la matriz austenítica durante el mecanizado y la presencia de carburos abrasivos en su microestructura que aceleran el desgaste de la herramienta [2], [3]. Estos factores provocan la aparición de elevadas tensiones y temperaturas que dificultan el mecanizado favoreciendo un desgaste prematuro de la herramienta.

Sin embargo, estas aleaciones de Titanio y Níquel están recibiendo una espléndida acogida en la industria aeronáutica debido a su excelente comportamiento a elevadas temperaturas. Hecho que está obligando a dedicar un gran esfuerzo investigador dirigido a solventar estos problemas de mecanizado durante la fabricación de componentes.

Consecuentemente, el desarrollo e implantación de nuevas alternativas para mecanizar este tipo de materiales está resultando ser uno de los principales retos a alcanzar con el fin de optimizar su comportamiento, velocidad y fiabilidad de mecanizado.

A pesar de que la tendencia hacia el mecanizado en seco está creciendo rápidamente, el proceso de mecanizado empleando gran cantidad de fluido de corte resulta todavía común en muchos materiales como los mencionados anteriormente, por no poder ser mecanizados eficientemente sin dicho fluido. Es por esta razón que el mecanizado asistido con chorro de refrigerante a alta presión surge como una técnica alternativa importante para incrementar su eficiencia en producción.

El proceso de Mecanizado Asistido con Chorro de Refrigerante a Alta Presión se basa, como su nombre indica, en la proyección de un chorro de fluido de corte a alta presión (hasta 350Bar) en la interfase existente entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta [4], provocando un efecto de cuña hidráulica con los siguientes efectos beneficiosos sobre el proceso de corte:

• Incremento significativo de la velocidad de corte y del avance de mecanizado.
  La incidencia del chorro de fluido de corte a alta presión facilita la rotura de la viruta, por lo que las fuerzas de corte que actúan sobre la herramienta disminuyen, resultando posible aumentar las condiciones del proceso. Por otra parte, el flujo de refrigerante a alta presión es capaz de alcanzar con mayor precisión y potencia la zona de corte, con lo que el efecto refrigerante es mayor que en un proceso convencional y, por lo tanto, la temperatura de la zona de corte disminuye considerablemente.
• Reducción de los tiempos de ciclo (aumento de la producción).
  La posibilidad de aumentar las condiciones de corte posibilita la reducción de los tiempos de ciclo de mecanizado necesarios para cada una de las etapas de fabricación de una pieza (desbaste, semiacabado y acabado).
• Un control más preciso del tipo y forma de viruta producida.
  El fluido de corte incidiendo a alta velocidad y presión en la interfase entre la cara de desprendimiento de la herramienta y la viruta provoca una ostensible disminución del tamaño de la misma en comparación con la refrigeración convencional a baja presión (2 ó 3 bar). La fuerza desarrollada por el chorro de refrigerante favorece su rotura mecánica dando lugar a una viruta más controlable y segura (Figura 1). Desde el punto de vista de comportamiento en proceso, elimina o disminuye su riesgo de enrollamiento en la pieza o herramienta.
• Aumento de la duración de vida útil de la herramienta de corte.
  La disminución tanto de las fuerzas de corte como de la temperatura general del proceso, favorece el aumento de la vida útil de las herramientas de corte.
• Mejora del acabado superficial de la pieza.La posibilidad de reducir los tiempos de fabricación, debido al aumento de la velocidad de corte, permite disminuir los avances de trabajo y consecuentemente mejorar la calidad superficial.

El incremento de las condiciones de corte, con el consiguiente aumento en la productividad, mayor vida de herramienta, control óptimo de la viruta y del proceso de corte, posibilita la reducción de los costes totales de fabricación de componentes aeronáuticos en aleaciones consideradas tradicionalmente como de baja maquinabilidad.

Al utilizar esta tecnología, además de la adecuada selección de la bomba a alta presión, que ofrezca el valor deseado, otros elementos importantes a considerar son el sistema de portaherramientas y boquillas, el fluido de corte y el sistema de extracción y filtrado de nieblas (Figura 2)

Figura 1: Beneficios en cuanto a tamaño de viruta

Figura 2: Aspectos relevantes en la definición del sistema

Uno de los principales problemas derivados de la utilización de esta tecnología es la formación de nieblas durante el mecanizado. El sistema de extracción de nieblas permite la evacuación controlada del aire para su posterior tratamiento. Se emplean filtros de forma que el aire que sale al exterior se halle completamente limpio de aceites provenientes del mecanizado. Por otra parte, es recomendable el sellado de las principales vías de escape de las nieblas a través del carenado.

El fluido de corte debe ser compatible con este tipo de sistemas, aportando alta lubricidad así como baja espumación y formación de nieblas. Existen sistemas de portaherramientas específicamente diseñados para emplear fluido de corte a alta presión (Figura 3A), a los que se acopla como elemento fijo un diseño de boquilla patentado especial (Figura 3B), que asegura que el fluido de corte se proyecte exactamente en el filo de corte a un ángulo de incidencia óptimo comprendido entre 10 y 25º, produciendo la rotura óptima de la viruta y el enfriamiento deseado.

La naturaleza caótica del agua en una boquilla estándar (circular) causa que el chorro de líquido se degrade casi completamente entre el final de la boquilla y la interfase viruta/herramienta, lo que provoca deficiencias en la refrigeración de la herramienta. Un diseño adecuado de boquilla permite conseguir un chorro limpio y fácil de direccionar y transmitir de forma efectiva la fuerza del chorro a la viruta [5]. Las boquillas triangulares consiguen que la corriente de fluido se mueva en línea recta, de forma que el chorro sea más efectivo (Figura 3C).

Figura 3. Sistema de alta presión. Fuente: ChipBlaster

En el taller de Tekniker se han llevado a cabo ensayos de cilindrado asistido con chorro de refrigerante a alta presión con dos materiales de baja maquinabilidad y de bajo ratio productivo, empleados habitualmente en el sector aeronaútico: una aleación de base Titanio, Ti6Al4V, y otra de base Níquel, Inconel 718, (en dos estados: solubilizado (@ 200HB) y precipitado (45HRc)) en un Torno de Control Numérico Danumeric N750, en operación de desbaste para el primer material y de acabado para el segundo, empleando herramientas comerciales de metal duro con y sin recubrimiento.

Los ensayos se han realizado de forma comparativa aplicando fluido de corte a una presión convencional de 2 bar y a alta presión en torno a los 130-140 bar, que corresponde a un caudal aproximado de 20l/min. Para proporcionar esta sobre-presión, se ha instalado una bomba de alta presión EV2000, haciendo incidir el chorro con una inclinación de 10º sobre la cara de desprendimiento. Como fluido de corte se ha empleado el producto HOCUT F-333 emulsionado al 7%.

Como principales parámetros de salida se han considerado la rugosidad superficial, fuerzas de corte, desgaste de herramienta y tamaño de viruta. La rugosidad superficial (Ra) se ha medido mediante un rugosímetro portátil MITUTOYO SJ-201P. Las tres componentes de las fuerzas de corte se han determinado con una plataforma dinamométrica piezoeléctrica KISTLER 9257A. La vida de la herramienta se ha valorado de acuerdo a la norma ISO 3685, midiéndose el desgaste de flanco, admitiéndose un valor medio VB de 0,3mm y un valor máximo de 0,6mm en la punta. Las medidas de desgaste se han llevado a cabo “in situ” con un microscopio de contacto Keyence y al final del ensayo mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). En cada ensayo se ha recogido viruta al objeto de analizar su estado, aspecto, forma y tamaño y obtener información sobre el efecto que el chorro de fluido de corte a alta presión produce sobre la misma.

Figura 4: Influencia de la alta presión en el desgaste de flanco

Figura 5: Efecto de alta presión sobre las fuerzas de corte

Ninguno de los ensayos realizados sin sobre-presión ha superado los 8 minutos de mecanizado. El empleo de sobre-presión ha resultado efectivo a las tres velocidades de corte ensayadas, obteniéndose un aumento importante de la vida de herramienta (próximo a un 300%) que lleva implícito una mejora sorprendente del rendimiento de dicha operación de desbaste, influenciada más por el fluido de corte a alta presión que por las condiciones de corte (Figura 4).

En la Figura 4 se observa que aplicando alta presión se ha obtenido un desgaste homogéneo de flanco con un valor medio de 0,3mm, mientras que con refrigeración convencional se ha obtenido un desgaste más irregular alcanzando un valor máximo superior a 0,6mm.

Así mismo, se ha registrado una disminución en las fuerzas de corte al aumentar la presión del refrigerante. Aplicando 2 bar de presión, se ha recogido viruta larga y rizada, similar para las diferentes condiciones de corte, que dificultaba sensiblemente la realización de los ensayos debido a su enrollamiento en el conducto de refrigeración desviando la boquilla, impidiendo la correcta refrigeración de la zona de corte y obligando a la continua intervención del operario para liberar la zona de trabajo. Sin embargo, con sobre-presión, la viruta era fragmentada, pequeña y ha permitido realizar los ensayos sin problemas (Figura 5).

Se han llevado a cabo ensayos de acabado con Inconel 718 en dos estados: solubilizado (@ 200HB) y precipitado (45HRc).

Figura 6: Efecto de la alta presión en el tamaño y forma de las virutas

Figura 7: Influencia del desgaste de flanco con la presión para Inconel 718 precipitado

En ambos casos, los ensayos se han realizado a tres velocidades: 60, 90 y 120m/min, un avance de 0,15 mm/rev y una profundidad de corte de 0,2mm.

En el caso del Inconel sin tratar, con la aplicación de refrigerante a alta presión no se ha observado mejora alguna en términos de tiempo, volumen de material eliminado y calidad superficial. En relación a las fuerzas de corte, los valores se han reducido ligeramente al aplicar sobre-presión. Sin embargo, cuando la herramienta se desgasta la componente radial aumenta, superando a la componente de corte. Al final de la vida de la herramienta, la componente radial ha superado en 2 ó 3 veces a la de corte.

Con refrigeración convencional, la viruta es larga y rizada, no se rompe apropiadamente y en ocasiones se enreda alrededor de la pieza de trabajo. Al aplicar fluido de corte a alta presión, se obtiene viruta de rizo pequeño que rompe adecuadamente (Figura 6), siendo ésta la única ventaja registrada.

Igualmente se ha ensayado Inconel 718 en su estado precipitado, producido mediante la precipitación controlada de la fase primaria gamma metaestable, con el objetivo de encontrar mejoras con un material de mayor dureza. La evolución del desgaste en el flanco para las tres velocidades de corte, con y sin sobre-presión, se representan en la Figura 7.

Cuanto más baja es la velocidad de corte, mayor es la vida de la herramienta. A cada velocidad, la aplicación de refrigerante a alta presión mejora el tiempo y el volumen de material eliminado.

El acabado del Inconel 718 precipitado ofrece mejor rendimiento en términos de vida de herramienta o de desgaste bajo refrigeración con sobre-presión. Las fuerzas de corte disminuyen con el aumento de la presión debido a la mejora de la refrigeración en la interfase de corte así como a la segmentación efectiva asegurada por el chorro de fluido de corte. La rotura de la viruta se corresponde con la representada en la Figura 6.

La técnica de chorro de refrigerante a alta presión resulta efectiva en las operaciones de torneado de Ti6Al4V e Inconel 718, en términos de obtención de viruta pequeña que no interfiere en la operación y que se evacua fácilmente de la zona de mecanizado, reduciéndose de esta manera el riesgo de deterioro en piezas y herramientas.

La aplicación de sobre-presión en el desbaste de Ti6Al4V ofrece además un mejor rendimiento concerniente a vida de herramienta y fuerzas de corte en comparación con la refrigeración convencional.

Se han obtenido diferencias en las operaciones de acabado del Inconel 718 solubilizado y precipitado, ya que en el primero no se observan mejoras en cuanto a vida de herramienta y fuerzas de corte, mientras que con el precipitado el efecto positivo de la sobre-presión permite un aumento de la velocidad de corte, aunque de manera más moderada que con el Ti6Al4V.

[1] Matthew J. Donachie Jr.; Titanium, A Technical Guide Second Edition, ASM International, The Materials Information Society. Materials Park, Ohio 44073-0002.

[2] Ezugwu, E.O.; Machado, A.R., Pasby, I.R., Wallbank, J., “The effect of High-Pressure Coolant Supply When Machining a heat-Resistant Nickel-Based Superalloy”. Journal of Society of Trib. & Lub. Engineers, 47/9, pp 751-757, 1990.

[3] Ezugwu, E.O.; Bonney J.; Fadare, D.A.; Sales, W.F.; “Machining of nickel-base, Inconel 718, alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures”; Journal of Materials Processing Technology, 162-163, pp. 609-614; 2005.

[4] Lopez de Lacalle, L. N.; Perez Bilbatúa, J.; Sánchez, J.A.; Llorente, J.I.; Gutierrez, A.; Albóniga, J.;“Using high pressure coolant in the drilling and turning of low machinability alloys”; International Journal of Advanced Manufacturing Technology 16/2 pp. 85-91, 2000.

[5] http://www.chipblaster.com