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1 38 HERRAMIENTAS Fresas sólidas de metal duro, para un corte de alta productividad Luisa Fernanda Castro Patiño Periodista Metal Actual Foto: fabricatingonadmetalworking.com Cortes diez veces más rápidos. Gracias al material con que están fabricadas (carburo de tungsteno), las fresas sólidas de metal duro son óptimas para trabajar con velocidades de corte y avances altos; además, ofrecen una alta productividad para el ranurado, desbaste y acabado de las piezas. Las herramientas por arranque de viruta se dividen en dos grupos: insertos intercambiables y herramientas sólidas, al segundo pertenecen los buriles, machos, terrajas y fresas, estas últimas se necesitan, especialmente, para realizar mecanizados de menos dieciséis milímetros de diámetro, dado que son las más precisas para este tipo de trabajo. Por el contrario, cuando el operario necesita realizar mecanizados o ranuras de más de dieciséis milímetros, los expertos recomiendan utilizar las plaquitas intercambiables, no solo porque se obtiene un trabajo óptimo, sino porque al momento de desgaste de los filos de los insertos, estos se pueden rotar sin reemplazar toda la herramienta e incurrir en mayores gastos.

2 HERRAMIENTAS 39 Foto: Mecanizado de metales duros con fresas sólidas de carburo de tunsgteno. Las fresas sólidas se utilizan entonces, especialmente, para operaciones de ranurado, planeado, desbaste y acabado de piezas metálicas; la fabricación de estas herramientas en carburo de tungsteno, les confiere excelentes propiedades para soportar las altas temperaturas generadas por la velocidad con la que trabajan las máquinas de última generación, entre los 200 ºC y los 1000 ºC, durante el proceso de mecanizado. Aunque el mercado comercializa fresas sólidas para realizar, por ejemplo, ranurados de grandes diámetros (más de 16 mm), suelen ser muy costosas, debido a que están fabricadas de carburo de tungsteno, lo que, al momento de su desgaste, representa un alto gasto para la empresa. Según Alexander Garzón Rozo, ingeniero y ejecutivo de ventas de RexcoTools empresa que comercializa este tipo de herramientas a nivel nacional hasta la década del 70 las fresas sólidas de corte eran fabricadas, en su gran mayoría, de acero rápido HSS High Speed Steel (por sus siglas en inglés), debido a sus propiedades de tenacidad. Sin embargo, a pesar que en la actualidad gran parte de la industria emplea este tipo de herramientas en sus procesos, no solo en Colombia sino en el mundo, el tungsteno ofrece mejores propiedades para trabajar a altas velocidades: revoluciones por minuto (rpm), como es el caso de sistemas de mecanizado de alta velocidad HSM High Speed Machining, utilizados en Europa. En Colombia, las mayores velocidades de las máquinas de este tipo, están entre rpm y rpm. Es importante mencionar que las fresas sólidas de metal duro son fabricadas, generalmente, de carburo de tungsteno aleado con cobalto (Co), mediante un proceso de metalurgia de polvos (1) ; entre más finas sean las partículas de tungsteno, mejor desempeño tendrá la herramienta fabricada con este tipo de material. El cobalto funciona como un aglutinante para mantener adheridos o entrelazados los microgramos de tungsteno, y así obtener una mayor firmeza en la herramienta. El porcentaje de cobalto determina en gran medida, la tenacidad y resistencia al desgaste de la fresa. Una mayor cantidad de cobalto hará la herramienta más tenaz pero menos resistente al desgaste; de manera inversa, una menor cantidad de cobalto, hará la herramienta más resistente al desgaste pero con menor tenacidad. Su clasificación Las fresas tienen geometrías cada vez más específicas y una composición físico-mecánica orientada al material que se va a mecanizar y al trabajo que el operario necesita obtener. Físicamente, la fresa sólida de metal duro consta de un mango recto para sujetarla a la máquina. Vale destacar que algunas herramientas de diámetro pequeño tienen en esta zona, un cuello cónico que le da mayor robustez, por lo que puede trabajar a altas velocidades; otras cuentan con un descargue o un diámetro menor en comparación con la punta de la fresa para que el cuello, durante el mecanizado, no choque con el material y provoque daños. Otro de los elementos de estas herramientas es la zona de corte, en ella se encuentran talladas unas ranuras a lo largo de toda su longitud, las cuales suelen ser rectas o helicoidales y forman una espiral; por último, la fresa cuenta con una punta que alberga los filos. Las fresas sólidas de metal duro se clasifican dependiendo de la forma de la herramienta o de su geometría. Las más conocidas son las planas, las esféricas y las tóricas; además los fabricantes ofrecen fresas especiales llamadas sinusidales. Herramientas planas: son herramientas que tienen un radio 0; es decir, cuentan con un filo totalmente vivo, y se utilizan para operaciones de ranurado, mecanizado lateral y para realizar cavidades. Fresas sólidas planas. Foto: ecx-images-amazon-com.

3 40 HERRAMIENTAS El filo principal, debido a su forma puntiaguda, suele sufrir daños en poco tiempo, aunque el resto del filo a lo largo de la herramienta se conserve de forma casi intacta. Por tal razón, el operario debe tener mucho cuidado con las condiciones de corte seleccionadas en la máquina, a fin de evitar rupturas tempranas. Herramientas esféricas: son especialmente necesarias para el mecanizado de piezas con superficies en tres y dos dimensiones. Se caracterizan por ser herramientas muy estables, por lo que también son útiles para realizar operaciones tanto de desbaste como de acabado y semi-acabado. Fresas esféricas o de punta redonda. Foto: Ecx.images.amazon.com. Es importante aclarar que la función del radio en el filo, le proporciona a la herramienta mayor resistencia, al igual que le ayuda a disipar el calor durante el mecanizado de la pieza, para evitar que esta área no sufra daños por rompimiento. Las herramientas tóricas son las más adecuadas para la realización de grandes desbastes y materiales endurecidos, siempre que el diámetro de la herramienta sea apropiado para el tamaño de la pieza a mecanizar; de igual manera, son especiales para hacer operaciones de copiado en 3D, para lo cual tienen un radio en la punta muy pronunciado, que facilita este proceso. Vale anotar que, por lo regular, este tipo de herramienta necesita trabajar a velocidades de avance altas, para otorgar un óptimo desempeño. Herramientas de desbaste (sinusoidales): son aquellas cuyos filos tienen un perfil sinusoidal o que forman una curva, son especiales para realizar grandes desbastes, incluso en materiales duros o de difícil maquinabilidad. Existen herramientas con perfiles sinusoides de paso fino, semifino y grueso, cada uno especial para el Fresas de desbaste o sinusoidales. Foto: tipo de trabajo a realizar, y la cantidad de material que se desea remover de la pieza de trabajo. El operario debe tener en cuenta que, entre más gruesos sean los filos de la herramienta, mayor cantidad de material removerá; por el contrario, si la herramienta tiene filos semifinos, removerá menor cantidad de virutas, pero el acabado será mucho mejor. De igual manera, las fresas sólidas también se pueden clasificar, según la norma DIN 1836 de acuerdo al tipo de filos. En el siguiente cuadro se presenta la información correspondiente. Herramientas tóricas o toroidales: son fresas planas con radio en el filo. Se utilizan con base en el diseño que exige la pieza a trabajar; por ejemplo, cuando esta exige un radio en el vértice, y para las piezas que van a ser templadas, pues si los vértices permanecen vivos pueden sufrir fracturas posteriores, después de aplicársele el tratamiento térmico debido al esfuerzo mecánico. Fresas toroidales o tóricas. Foto: Ecx.images.amazon.com. Tipos de fresas y sus campos básicos de aplicación similar DIN 1836 Dentado para acabado con un paso espiral de 30, apropiado para trabajar aceros de construcción, aplicación y bonificados, así como para metales de viruta corta y materiales hasta una dureza de: 1200 N/mm 2 en fresas de HSS y 1600 N/mm 2 en fresas de VHM Dentado de acabado con un paso espiral de 45, apropiado para trabajar materiales blandos como aluminio, aleaciones de aluminio y metales hasta aproximadamente 600 N/mm 2 de dureza. Dentado de acabado con un paso espiral de 45, apropiado para trabajar materiales de alta aleación y fundición gris hasta aproximadamente 1600 N/mm 2 de dureza. Dentado de acabado con un paso espiral de 55, apropiado para mecanizado de alta velocidad en todos los materiales endurecidos y fundición dura hasta aproximadamente 62 HRC. Dentado normal para desbaste, produce virutas cortas, brinda un buen desalojo de viruta. Apropiado para el fresado de materiales normales hasta aproximadamente N/mm 2 de dureza en fresas de HSS y N/mm 2 de dureza en fresas VHM Dentado basto para desbastar, produce virutas cortas con un buen desalojo de viruta. Apropiado para fresar aluminios, metales-ne y aceros blandos hasta aproximadamente 600 N/mm 2 de dureza. Cuadro tomado del catálogo de Guhring.

4 HERRAMIENTAS 41 Factores tener en cuenta En el uso de cualquier herramienta de corte existen ciertos factores que intervienen y que el operario debería conocer y analizar antes de utilizarlas, con el fin de lograr su óptimo desempeño y, por ende, un excelente mecanizado de la pieza de trabajo. Ángulo de ataque positivo Ø Gráfico 1 Ángulo de ataque 0 grados Ángulo de ataque negativo Ø Ángulo de ataque: es el ángulo que forma el perfil de corte con la línea que une el punto de contacto entre la fresa y la pieza en su centro. Este elemento juega un papel muy importante en el comportamiento del corte y depende del tipo de material a mecanizar, pero siempre el operario debe tener en cuenta que, a menor ángulo, mayor tenacidad en la herramienta y viceversa. Los materiales blandos como el aluminio, el cobre y algunos aceros pretratados son de buena maquinabilidad, pero tienen el problema de su pastosidad; es decir, que es difícil arrancar y separar, la viruta de la pieza. Para estos materiales es necesario utilizar fresas con ángulos de corte positivos o vivos, con el fin de facilitar el corte y mejorar la evacuación de la viruta. Por el contrario, para materiales duros, por encima de los 54 HRC, el operario debe emplear herramientas con ángulos de corte negativos o neutros, los cuales le otorgan mayor tenacidad a la herramienta, propiedad que es indispensable para este tipo de materiales. Las fresas de ángulos positivos suelen ser muy frágiles y con poca robustez y, cuando se emplean en metales duros, suelen estropearse en poco tiempo (véase el gráfico número 1). Tal y como se muestra en el gráfico 1, las fresas sólidas con ángulo positivo tiene un canal de evacuación de virutas grande, mientras que el

5 42 HERRAMIENTAS perfil de corte negativo cuenta con un canal de evacuación más pequeño. Ambos factores determinan el espacio físico disponible para la ubicación de la arista. Canal de evacuación de viruta o ángulo de la hélice: es también un factor determinante en el comportamiento de la herramienta, especialmente en aquellos materiales que permiten un mayor desalojo de viruta por unidad de tiempo, como es el caso del aluminio; tanto el canal como el ángulo de corte deben ser lo más grandes posible, con el fin de facilitar su evacuación. El problema que se presenta en las fresas sólidas, y en general en las herramientas de corte, cuando los ángulos son demasiado grandes, es que les resta robustez, ya que limita el espacio para el número de filos. Por el contrario, en materiales que no permiten tanto arranque de viruta, este canal y el ángulo pueden ser más pequeños, lo que también posibilita un mayor número de filos o dientes en la fresa. Así pues, para materiales como el aluminio, los expertos suelen utilizar fresas sólidas con pocos filos (dos Espacio desalojo de viruta Fresa de 2 dientes Tiene gran espacio de desalojo de viruta y pequeño diámetro del alma. Brinda buenos resultados en desbaste y en fresado de ranuras. También son utilizados para taladrar en aleaciones de aluminio y materiales de viruta larga porque tiene corte al centro. Gráfico: Fresa de 3 dientes Es la fresa más universal. Es una herramienta excelente para fresar ranuras en materiales ferricos y aleaciones resistentes al calor. Gráfico 2 filos por lo general) con ángulos de evacuación superiores a los 60º, mientras que para herramientas destinadas al trabajo de materiales duros, se prefiere un mayor número de filos (entre seis, siete y ocho), dependiendo del diámetro de la fresa con ángulos de evacuación de hasta 45º. Es necesario considerar que, en el caso de materiales duros en operaciones de acabado, es conveniente utilizar fresas sólidas de dos o tres filos, con un ángulo de ataque positivo como el elegido en las operaciones de desbaste o semiacabado, dado que este tipo de herramientas ayudará a evacuar la viruta rápidamente, sin que la fresa se atasque durante el proceso. Filos: existen fresas sólidas de entre dos y nueve filos, cada una para un tipo de trabajo específico (véase gráfico 2). Para mecanizar una ranura, a menos que sea delgada, los expertos recomiendan utilizar una fresa de dos o tres filos; de hecho, una regla general que se aplica en estos procesos es que, para hacer cortes profundos, se deben utilizar fresas con la menor cantidad posible de Núcleo o Alma Núcleo Núcleo Fresa de 4 dientes Tiene geometría universal y es utilizada para fresado periférico y fresado de caras y costados. Presenta elevada rigidez de herramienta, debido al gran diámetro del alma. Tiene mejor ratio de viruta desalojada que con una fresa de 3 dientes. Fresa de 5 o más dientes Utilizada principalmente para acabado. Ofrece buen acabado superficial. Permite avances altos. Permite un corte suave porque siempre hay un diente en contacto con el material de la pieza. Es utilizada también para desbaste con diámetros de herramienta > 20 mm. Recubrimientos Es una capa que se le aplica a las herramientas de corte con un espesor de micras o de micrones, con el fin de conferirle mejores propiedades de desempeño en cuanto a la resistencia de la temperatura y vida útil. Los recubrimientos que más se comercializan en el mercado son TiAIN, AlTiN y AlTiSi. Es importante resaltar que los recubrimientos TiAl y AlTiN, son diferentes, pues, aunque tienen los mismos componentes, el material que encabeza el nombre del recubrimiento, tiene mayor porcentaje del elemento. Por ejemplo, el recubrimiento TiAl, tiene mayor porcentaje de titanio que de aluminio y esto tiene una incidencia en sus características, en este caso, mayor dureza. A pesar que los recubrimientos son procesos ampliamente costosos y difíciles de desarrollar, en Colombia ya se están fabricando los del tipo (TiN) de una sola capa, lo cual representa un gran avance tecnológico para la industria en general. filos (dos o tres); por el contrario, las de cuatro y más filos se utilizan para cortes ligeros en el material. Es de vital importancia que las fresas sólidas de metal duro multifilos (cuatro en adelante), tengan una diferencia en los ángulos de corte. Existen por ejemplo algunas que tienen ángulos de 44º, 45º y 46º, ya que cuando son iguales la herramienta tiende a producir vibraciones, que afectan el acabado final de la pieza. Según Alexander Garzón, muchas veces la vibración de la herramienta se presenta cuando hay resonancia o armonía entre el material y la herramienta, lo que genera armónicos. El objetivo de que los ángulos de corte sean diferentes en las fresas de metal duro, es pues que, en el momento del mecanizado, la frecuencia cambie, con el fin de romper así el armónico o la posibilidad que dichas frecuencias se encuentren. Longitud de la fresa: es un factor que también interviene en las vibraciones de la herramienta durante el mecanizado. Una fresa corta no tendrá el mismo comportamiento que una largo durante este proceso, pues tiene más posibilidades de sufrir flexiones, las cuales, a su

6 HERRAMIENTAS 43 Foto: www-1asi-com. Diferentes tipos de fresas sólidas que se utilizan en la industria, vez, causan desgastes prematuros en las fresas, roturas progresivas, vibraciones y mala calidad en la superficie de la pieza de trabajo. Según Oscar Andrés Manrique, gerente técnico nacional de Herratec, compañía que comercializa herramientas de corte, el operario debería tener en cuenta que, cualquiera que sea el tamaño de la herramienta, esta siempre debe estar sujeta lo más cerca posible al filo, con el fin de evitar exceso de vibraciones y un mal acabado en el material. Los problemas también se encuentran especialmente cuando el material a cortar es exigente. A partir de estos valores, el operario debe empezar a tener más cuidado con la longitud de la herramienta que debe utilizar y, en algunos casos, es preciso suavizar las condiciones de corte si se desea una respuesta correcta del equipo. Parámetros Para que las máquinas de alta tecnología puedan funcionar con gran desempeño, no solo es necesario que las herramientas sean de buena calidad y con un alto desarrollo de ingeniería, sino que el operario elija la herramienta más adecuada, y tenga claro los parámetros de corte que debe utilizar en este tipo de equipos. En ese sentido, para una correcta operación y para identificar si el trabajo es eficiente, hay que calcular la velocidad de corte (Vc), las revoluciones por minuto (rpm), la velocidad de avance (Vf) y la tasa de remoción de viruta (trm), mediante una ecuación sencilla de cuatro pasos. Como logramos integrar todos los procesos de nuestra empresa sin perder información, con las versiones validadas, sin errores de comunicación y en menor tiempo. TEAMCENTER de Siemens PLM ofrece la mejor solución del Mercado, capaz de integrarse con todos los software de diseño y simulación.

7 44 HERRAMIENTAS Primero. hay que hallar la velocidad de corte (Vc), multiplicando el diámetro de la fresa (ø) por π (pi), que es una constante, además por las revoluciones por minuto de la máquina y el resultado se divide entre Vc= ø x π x rpm Después, es necesario hallar las revoluciones por minuto (rpm); en este caso el operario debe multiplicar la velocidad de corte (Vc) por 1.000, dividido entre π por el diámetro (ø) de la fresa. rpm= Vc x 1000 π x ø Conocer las revoluciones le ayudará al operario a elegir la herramienta más adecuada para cada trabajo, si el resultado fue de rpm; por ejemplo, y la especificación de la herramienta indica que debe mecanizarse a rpm, existe una limitante o una restricción de corte que le indica al trabajador que debe usar otra de mayores rpm. En el tercer paso, el operario debe averiguar la velocidad de avance (Vf); esto se puede hacer multiplicando el avance por diente (Vz), que por lo regular es de 0,1 y 0,2 milimetro por revolución. El resultado se multiplica por el número de filos (Z) y este, a su vez, por las rpm, valor este último que se halla como se indicó con la anterior ecuación. (Vf= Vz x Z x rpm) Finalmente, los resultados anteriores le dan la posibilidad al operador de conocer la tasa de remoción de viruta (trm), la cual es muy importante para saber si el mecanizado es eficiente o no. La trm se calcula multiplicando la velocidad de corte por la velocidad de avance y el diámetro. (Trm= Vc x Vf x ø) De igual manera las condiciones de la máquina para fresado, deben ser óptimas en términos de potencia, robustez y fuerza, a fin de resistir todos los esfuerzos de corte que se producen en el proceso. Los soportes del husillo, donde se ajusta la herramienta, por ejemplo, deben estar en perfectas condiciones para evitar que el trabajo se desvíe. Dificultades con las fresas sólidas Problemas Soluciones Reducir la velocidad. Error de perpendicularidad lateral Disminuir el ancho y la profundidad depasada. Reducir la longitud de la herramienta. Utilizar una fresa con más dientes. Errores de precisión dimensional Superficie vibrada Amontonamiento de viruta Rebabas Acabado superficial rugoso Rotura de la fresa Vida reducida Los errores más comunes en las operaciones de ranurado, acabado y desbaste de material con fresas sólidas de metal duro están dados muchas veces por malas condiciones del equipo, exceso de velocidad y poco avance, lo cual acarrea que los clientes se quejen por la calidad de las herramientas, cuando el operario no tiene en cuenta las especificaciones técnicas, que indudablemente ayudan a conservarlas por mayor tiempo. De hecho, especificaciones tan simples como el correcto almacenaje de las fresas sólidas de metal duro, no son tenidas en cuenta y muchas veces son las causas más frecuentes para que éstas sufran daños, pues a pesar que están fabricadas en un material duro, sus filos de corte son frágiles. Cuando las fresas se mezclan con otras herramientas, suelen sufrir daños por choques o rozamientos, que indudablemente ameritan el reemplazo de la herramienta por una nueva. Es por esta razón que siempre deben estar guardadas en su estuche original o en un lugar independiente para que no se mezclen con otros equipos. Disminuir el ancho y la profundidad de pasada Mejorar la rigidez de la sujeción Utilizar una fresa con más dientes Disminuir el avance y la velocidad de la máquina Mejorar la rigidez de la sujeción de la herramienta. Utilizar una fresa con más dientes o filos. Disminuir el avance y la velocidad de la máquina Utilizar una fresa con menos filos Incrementar el caudal de refrigeración. Reafilar con más frecuencia la herramienta Corregir las condiciones y los ángulos de corte. Disminuir el avance e incrementar la velocidad de la máquina Reducir el ratio de arranque de material Disminuir velocidad y avance por diente Utilizar una fresa menor Reafilar con más frecuencia la herramienta Corregir las condiciones y los ángulos de corte De allí la importancia de contar siempre con una asesoría personalizada por personal experto en estas herramientas y que se ajuste directamente a los requerimientos específicos del cliente, de acuerdo con el trabajo que necesita desarrollar, pues es una de los mejores caminos para asegurar el éxito en el mecanizado de materiales. Citas 1) Es un proceso mediante el cual partes o productos se fabrican comprimiendo polvo metálico o algún material cerámico dentro de un molde o dado; una vez comprimido el polvo se somete a un proceso de calentamiento (sinterizado), lo que le proporciona a la pieza propiedades de resistencia y dureza. Fuentes Ing. Alexander Garzón Rozo. Ejecutivo de ventas Rexcotools. ventasbogota1@campostools.com Ing. Oscar Andrés Manrique. Gerente técnico nacional Herratec. oscar.manrique@herratec. com.co Herramientas Guhring Mexicana S.A. www. guhring.com.mx

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