TECNOLOGÍA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE
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- Fernando Castillo Domínguez
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1 Este curso está orientado fundamentalmente al mecanizado en tornos, específicamente con aceros de baja aleación. TECNOLOGÍA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE Cuando hablamos de mecanizado con herramientas de corte, tenemos que tener en cuenta algunos puntos. Estos son: el material de la pieza, el tipo de mecanizado, el material de la herramienta, los factores de corte. Empecemos identificando los materiales de las piezas: P M K N S H ACEROS ACEROS INOXIDABLES FUNDICIÓN NO FERROSOS SUPERALEACIONES TERMORRESISTENTES MATERIALES ENDURECIDOS Aceros sin alear, baja y alta aleación. Aceros inoxidables martensíticos, ferrítico, austenítico, y duplex. Fundición maleable, gris, nodular. Aleaciones de aluminio. Aleaciones de cobre. Cobre. Titanio. Aleaciones de titanio. Base de hierro, de níquel, de cobalto. Acero extraduro. Acero templado. Fundición en coquilla. Nos orientaremos principalmente al mecanizado en tornos con aceros. En principio, para estudiar cual es la herramienta adecuada, debemos tomar como referencia la dureza del material a mecanizar, por lo tanto es necesario tener a mano una tabla de dureza de los aceros (Tabla I Dureza) Además, debido a que en la industria se emplean diferentes sistemas para medir dureza, necesitamos de una tabla comparativa entre los tres sistemas más empleados (Tabla II Dureza) Autor: Julio Alberto Correa Página 1 de 37
2 Tabal I Dureza TABLA DE DUREZA DE LOS ACEROS Acero S.A.E. Nº Nº de dureza Brinell Acero S.A.E. Nº Nº de dureza Brinell / /331/ / /291/301/ / /228/296/ /302/352/ /325/352/ /163/ /319/ /180/ /174/197/ /217/241/295/ /187/195/ /187/193/197/227/ /241/326/ / / /225/230/ /217/229/293/321/ / /285/287/330/ /364/ /277/363/ / / / / / / / /183/212/229/251/ /212/277/ / /248/392/ / /269/305/ / / /207/ / / /223/302/ /195/207/223/271/300/ /285/352/ /240/300/ / /273/ /255/ /280/ / /264/ / / /134/ /277/401/ /149/ / / /285/341/ /178/186/210/262/306/ / /228/241/285/ /210/255/ /223/259/ /239/280262/ /202/221/345 Autor: Julio Alberto Correa Página 2 de 37
3 Tabla II Dureza Las normas, identifican a los metales duros de herramienta de esta manera: P Ideales para el mecanizado de acero, acero fundido, y acero maleable de viruta larga. P01 Torneado y mandrinado en procesos de acabado, velocidades de corte altas, sección de viruta pequeña, alta calidad superficial, tolerancia pequeña y libre de vibraciones. P10 Torneado de copiado, roscado, fresado a altas velocidades de corte, sección de viruta de pequeña a mediana P20: Torneado de copiado, fresado, velocidad de corte mediana, sección de viruta de mediana, refrentados ligeros y condiciones medianamente desfavorables. P30 Torneado, fresado a velocidades de corte entre mediana y baja, sección de viruta de mediana a grande incluyendo operaciones en condiciones desfavorables Autor: Julio Alberto Correa Página 3 de 37
4 P40: Torneado, cepillado, fresado, ranurado y tronzado a baja velocidad de corte, amplia sección de viruta, posibles ángulos de desprendimiento elevados y condiciones muy desfavorables de trabajo. P50: Donde se requiera una gran tenacidad de la herramienta en torneado, cepillado, ranurado, tronzado a baja velocidad de corte, sección de viruta grande, posibilidad de grandes ángulos de desprendimiento y condiciones de trabajo extremadamente desfavorables. M Ideales para tornear acero inoxidable, ferrítico y martensítico, acero fundido, acero al manganeso, fundición aleada, fundición maleable y acero de fácil mecanización. M10 Torneado a velocidades de corte medianas, sección de viruta de pequeña a mediana. M20 Torneado, fresado a velocidad de corte media y sección de viruta de mediana. M30 Torneado, fresado y cepillado a velocidades de corte medianas, sección de viruta de mediana a grande. M40 Torneado, perfilado, ranurado y tronzado en máquinas automáticas K Ideal para el torneado de fundición gris, fundición en coquilla, y fundición maleable de viruta corta. K01 Torneado y mandrinado en procesos de acabado. Fresado en proceso de acabado y rasqueteado. K10 Torneado, fresado, taladrado, mandrinado etc. K20 Torneado, fresado, cepillado, mandrinado y brochado. Además de operaciones que requieran de una herramienta muy tenaz. K30 Torneado, fresado, cepillado, tronzado y ranurado en condiciones de trabajo desfavorables y con posibilidades de grandes ángulos de desprendimiento. K40 Torneado, fresado, cepillado ranurado y tronzado en condiciones de trabajo muy desfavorables y con posibilidades de ángulos de desprendimiento muy grandes. INSERTOS Las plaquitas de corte que empleamos en el mecanizado de metales, están constituidas fundamentalmente por carburo de tungsteno y cobalto, incluyendo además carburo de titanio, de tántalo, de nobio, de cromo, de molibdeno y de vanadio. Algunas calidades incluyen carbonitruro de titanio y/o de níquel. Estudiémoslos con más detalle: Autor: Julio Alberto Correa Página 4 de 37
5 Sustrato En un inserto recubierto, el sustrato es la base del sistema de corte, pero nunca debe entrar en contacto con la pieza de trabajo. Este hecho les permite a los fabricantes de herramientas de corte utilizar las propiedades del sustrato dentro de un rango más amplio del que sería posible si el sustrato no recubierto fuera la herramienta de corte. Las altas capacidades de procesamiento han conducido a la producción de sustratos enriquecidos, en los cuales el contenido de cobalto en la capa cercana a la superficie es mejorada significativamente, previniendo la formación de carburos cúbicos. Esto proporciona una mayor resistencia del borde que un grado puro de sustrato y es ampliamente utilizado en insertos para desbaste y operaciones interrumpidas de corte, lo mismo que en algunos materiales duros de mecanizar. Un desarrollo más reciente es la familia de sustratos de grano fino, en los cuales se controla el tamaño de los granos individuales de Carburo de wolframio (WC). Las exigencias de los sustratos varían del material de una pieza de trabajo a otro. Tomemos el acero como ejemplo. Debido a la formación continua de viruta y al calor generado en el extremo de corte, un inserto requiere un poco más de resistencia a la deformación, al desgaste y a la formación de cráteres, que el sustrato requerido para la fundición gris. La razón es que el hierro fundido no genera tanto calor y, de todas maneras, la viruta se rompe de una forma más natural. Algunos de los carburos cúbicos, como el TiC, TaC, NbC, y WC, serían adiciones críticas en un sustrato diseñado para el acero, pero no para el caso de la fundición gris. Para un material pegajoso como el acero inoxidable, el desgaste o la resistencia a los cráteres no es tan crítica como la tenacidad a causa de agarrotamiento y la formación de viruta. Por lo tanto, un sustrato resistente a la formación de viruta uno que contiene menos carburo cúbico, alto en cobalto y con un grano más fino es mejor para aceros inoxidables y aleaciones de alta temperatura. Llamamos de esta manera al material que conforma la base de la herramienta, y podemos mencionar los siguientes: Acero rápido, de alta velocidad o HSS (High Speed Steel): es una aleación de metales que contiene alrededor de un 20% de partículas duras. Con molibdeno (Mo) y tungsteno (W) (también puede tener vanadio (Va) y cromo (Cr)), tienen buena resistencia a la temperatura y al desgaste. Generalmente es usado en mechas y fresas, para realizar procesos de mecanizado con máquinas herramientas. Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo unidas por un aglomerante a través de un proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC). El aglomerante típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de aluminio y silicio. Nota: Sinterizado: Consiste en el calentamiento en horno con atmósfera controlada de polvos a una temperatura en torno al 75% de la de fusión. A esta temperatura los enlaces mecánicos entre los polvos obtenidos por el compactado se transforman en enlaces metalúrgicos, dándole así sus principales propiedades de resistencia. Ocurre una difusión atómica y las partes unidas durante el proceso de compactación se fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme. Esto puede inducir a un proceso de recristalización y a un incremento en el tamaño de los granos. Los poros tienden a volverse redondos y la porosidad en general como porcentaje del volumen total tiende a decrecer. Esta operación, casi siempre, se lleva a cabo dentro de un ambiente de atmósfera controlada y a temperaturas entre el 60 y 90% de la temperatura de fusión del mayor constituyente. Cuando hay mezcla de polvos, hay ocasiones en donde el proceso de sinterización se efectúa a una temperatura superior a la de fusión de uno de los constituyentes secundarios- como en partes estructurales de Carburo de Tungsteno/Cobalto, etc. Al hacer el proceso a una temperatura superior a la temperatura de fusión de un constituyente, se esta haciendo un sinterizado con presencia de fase líquida. Autor: Julio Alberto Correa Página 5 de 37
6 Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es recubierta con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), nitruro de titanio y carbono (TiCN), nitruro de titanio y aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV (deposición química por vapor), PVD (deposición física por vapor) y MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen equilibrio entre la tenacidad y la resistencia al desgaste. Cermet (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El aglomerante es níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad química y dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran dureza y resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados carburos de tantalio y niobio (TaNbC) y carburo de molibdeno (MoC) añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de fresado. Cerámicos: Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y las de nitruro de silicio (Si 3 N 4 ). Esta es una sustancia muy dura que ha sido empleada desde hace muchos años en ruedas de rectificado. Básicamente, un inserto cerámico es una rueda de rectificar de óxido de aluminio de grano muy fino. Son duras, con alta dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales de la pieza. Sin embargo son muy frágiles. Ideales para el mecanizado de piezas en duro y como reemplazo de las operaciones de rectificado. Nitruro de Boro Cúbico (CBN): Es uno de los materiales más duros. Ocupa el segundo lugar después del diamante. Dureza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidad química durante el mecanizado. Es frágil, pero más tenaz que las cerámicas. Diamante policristalino (PCD): Es casi tan duro como el diamante natural. Este diamante sintético tiene una increíble resistencia al desgaste y una baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida de la herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas de corte no deben exceder 600º C, no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, y no sirve para cortar materiales tenaces. Recubrimientos Hay dos factores que deben ser considerados en la evaluación de recubrimientos de insertos: los materiales usados y el proceso mediante el cual son aplicados. Ambos influyen en el rendimiento del sistema del inserto. El mismo recubrimiento actúa como interfaz entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Según la aplicación, los recubrimientos pueden proporcionar resistencia al desgaste, a la abrasión, a la formación de cráteres, a la acumulación de adherencias en el filo, a la resistencia química, o una simple reducción de la fricción que disminuye las temperaturas de corte. Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos: Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta. Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta. Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza El grosor del recubrimiento varía entre 0.002mm y 0.01mm. Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor Autor: Julio Alberto Correa Página 6 de 37
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