Las nuevas generaciones de calidades de plaquita
reducen los costes continuamente
Las plaquitas intercambiables con recubrimiento llevan casi 40 años siendo estándar en la mayoría de las operaciones de mecanizado. Aunque las nuevas generaciones de calidades de plaquita han aportado mejoras progresivas a lo largo de todo este tiempo, los talleres de mecanizado se están beneficiando en la actualidad de una excepcional evolución de la capacidad del filo de corte que está potenciando su competitividad en las operaciones de mecanizado
Para valorar la actual tecnología de calidades de plaquita, es necesario hacer un breve repaso de la evolución de las plaquitas recubiertas.
Sin concesiones
La eficacia del mecanizado, la seguridad de la producción, la optimización de la productividad y la versatilidad de las aplicaciones han sido los objetivos de las nuevas generaciones de plaquitas presentadas a lo largo de los años 2006 y 2007; dichas plaquitas han conseguido mejorar el rendimiento de diversas maneras. Han reducido, y en algunos casos han eliminado casi por completo, muchas limitaciones de rendimiento y de aplicación asociadas en principio a las plaquitas recubiertas. Esto ha permitido realizar prácticas mejoras en el mecanizado, entre ellas reducir la duración de los ciclos y el número de paradas de la máquina, aumentar la homogeneidad en la calidad de los componentes, ampliar la trayectoria de la herramienta y las posibilidades de aplicación, reducir el número de tipos distintos de herramienta y aumentar la fiabilidad del mecanizado.
¿Se pueden conseguir más mejoras con la generación actual de plaquitas recubiertas y en un mayor número de áreas distintas de aplicación?
Se considera que los costes reales totales de los productos fabricados con corte de metal se han mantenido aproximadamente constantes a lo largo de los últimos 40 años, a pesar del enorme crecimiento del volumen de producción durante este periodo.
Orígenes del mecanizado moderno
Los procesos y métodos de producción de los talleres de mecanizado sufrieron un cambio sustancial con la introducción de las plaquitas intercambiables (desechables) de metal duro recubiertas, a finales de la década de los 60. La evolución desde las herramientas de metal duro soldadas, que requerían soldado y rectificado, a estos nuevos materiales de herramienta y posibilidades geométricas, contribuyó de forma muy importante a la reducción de los costes de mecanizado. Asimismo, el nuevo tipo de plaquita abrió el camino hacia las nuevas generaciones de plaquitas intercambiables de metal duro recubiertas, que han revolucionado el sector del corte de metal a lo largo de los últimos 40 años y que continúan haciéndolo. La comparación de la duración de los ciclos, del volumen de producción y de los resultados antes y después de este cambio no hace sino subrayar su valor económico y desacreditar cualquier inclinación a subestimar la influencia de esta innovación.
La técnica de recubrimiento de metales con materiales duros data de la década de los 20. Aunque este método se utilizó para diversas aplicaciones hasta la década de los 70, pocos científicos o técnicos en corte de metal habrían arriesgado su reputación sosteniendo que un recubrimiento de unas pocas milésimas de milímetro sobre una herramienta de corte pudiera tener un efecto perceptible en el rendimiento de mecanizado.
El punto de inflexión de las plaquitas recubiertas
El método de recubrimiento en cuestión era la deposición química por vapor (CVD), empleado para obtener metales puros y para fabricar materiales compuestos; su potencial para el recubrimiento de herramientas se hizo patente a mediados de la década de los 60. Esta técnica despertó el interés de algunos miembros de los laboratorios de la división de metal duro de SANDVIK, quienes mediante posterior investigación y desarrollo concibieron la aplicación de una capa muy fina de carburo de titanio sobre las plaquitas intercambiables. Los resultados obtenidos fueron excepcionales. Esta importante innovación en la tecnología de plaquitas intercambiables presentada en 1969 chocó en un primer momento con el escepticismo de otros fabricantes de herramientas y de los talleres de mecanizado.
Sin embargo, la prueba de las sorprendentes mejoras se obtuvo con la aplicación de las primeras calidades GC para torneado, GC125 seguida de la GC 135 y GC315, en las máquinas de producción. Las nuevas herramientas obtuvieron un éxito inmediato. Gracias al uso de plaquitas intercambiables, los talleres de mecanizado podían ampliar su capacidad de producción sin inversión alguna en maquinaria ni equipo. Había dado comienzo la era de las plaquitas de metal duro recubiertas.
Estas plaquitas permitían aumentar sustancialmente la velocidad de corte y prolongar la vida útil de la herramienta casi de un día para otro. Con tan solo sustituir sus plaquitas convencionales sin recubrimiento por la nueva calidad de plaquitas recubiertas, los talleres de mecanizado podían efectuar una reducción de sus costes por componente mecanizado suficiente para superar ampliamente a su competencia. 10 años después, la proporción de plaquitas recubiertas en las ventas de herramienta ya era del 50%, y continuaba creciendo.
En los años posteriores a la introducción de la primera calidad GC, importantes innovaciones en lo que se refiere a materiales y procesos condujeron al desarrollo de calidades como la GC1025 y a la primera calidad recubierta de óxido de aluminio (cerámica), GC015. El arranque de viruta por filo de corte aumentó aproximadamente un 30% de media tan solo durante la primera mitad de la década de los 70, incluso antes de que hubiera calidades recubiertas disponibles para fresado y taladrado.
Nuevas generaciones de calidades de plaquita
Alrededor de 1980 irrumpió otra generación de calidades de plaquita recubierta, con recubrimientos de óxido de aluminio más gruesos y con mayor adherencia, entre ellas la GC415, capaz de aumentar la velocidad de arranque de viruta en torneado de acero más de un 10%. En el caso concreto de la industria de automoción, las nuevas generaciones de calidades de plaquita redujeron el consumo de plaquitas intercambiables por volumen de viruta en un 40% solamente en el periodo de 1970 a 1974. Otra ventaja de las nuevas calidades de plaquita era que la demanda de las relativamente escasas materias primas necesarias era prácticamente la misma que anteriormente, una tendencia que continúa.
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GC 4215 |
El desarrollo de sucesivas generaciones de plaquitas intercambiables cubiertas, que aumentaban drásticamente la eficacia general del corte de metal, siguió adelante. Todos los talleres de mecanizado que rechazaban la actualización a plaquitas intercambiables perdían competitividad rápidamente; este riesgo resulta incluso más acusado en la actualidad, pues está demostrado que para mantener la competitividad resulta imprescindible una continua introducción de mejoras.
El desarrollo de las plaquitas recubiertas no fue un proceso fácil ni sencillo; los recubrimientos y sus procesos de aplicación requirieron mucha investigación para perfeccionarse, por ello el recubrimiento pionero de las primeras calidades GC se encuentra a años luz de la tecnología actual.
Incluso hoy en día, la adherencia del recubrimiento al sustrato de la plaquita es un factor muy importante para la innovación en este campo. La descarburización del sustrato de la plaquita ocasiona fragilidad en algunas zonas y aparece el desconchado del recubrimiento durante el mecanizado, problema que se detectó desde el primer momento y que se resolvió con innovaciones posteriores en el sustrato de la plaquita y en los procesos de aplicación. La compensación de los distintos mecanismos de desgaste precisa la adopción de una serie de medidas. En un principio, el carburo de titanio era el principal material de recubrimiento, pero fue sustituido por otros materiales, como el óxido de aluminio y recubrimientos compuestos; por otro lado, a la amplia serie de mejoras técnicas se añadieron sustratos de plaquita especialmente adaptados, nuevas geometrías microscópicas, nuevos procesos de fabricación y, más recientemente, recubrimientos que no ocasionan tensiones.
Progreso continuo durante las décadas de los 80 y 90
Las primeras calidades con grueso recubrimiento de óxido de aluminio ofrecían mayor resistencia al desgaste, pero presentaban problemas de desconchado (desprendimiento y separación del recubrimiento del sustrato). El uso de recubrimientos más gruesos mejoraba el rendimiento, pero la adherencia al sustrato de la plaquita se reducía. Además, los primeros procesos de CVD producían un grosor de recubrimiento irregular, debido a una acumulación más rápida cerca del filo de corte. En cierta medida, la presentación de la calidad GC415 en 1980 fue producto de un nuevo tipo de proceso CVD capaz de resolver este problema. Las continuas mejoras del proceso CVD han permitido efectuar una considerable optimización del diseño y de la capa de recubrimiento, por lo que continúa siendo el único proceso capaz de depositar recubrimientos de óxido de aluminio de alta calidad, el principal material utilizado para soportar los diversos mecanismos de desgaste del mecanizado.
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GC4225 |
La optimización de los procesos de fabricación de recubrimientos con óxido de aluminio, la preparación del sustrato de plaquita y la modificación del gradiente de plaquita durante la década de los 80 condujeron a la presentación de varias calidades de plaquita nuevas. Estas calidades recubiertas ofrecían menores costes por pieza y optimizaban las áreas P-25 y P-35. A lo largo de la década de los 90, la nueva generación de plaquitas, con nuevas calidades recubiertas y geometría de plaquita, amplió el área de aplicación del torneado de acero y mejoró la adherencia del recubrimiento, lo que permitió abrir el campo de aplicación de las plaquitas recubiertas al fresado de acero.
En esta época se introdujeron también los recubrimientos múltiples: mientras que el recubrimiento interno aumentaba al máximo la adherencia y era resistente a algunos tipos de mecanismo de desgaste, el recubrimiento externo actuaba como barrera térmica y era resistente a otros mecanismos de desgaste distintos. La innovación era la introducción del recubrimiento de TiCN, aplicado como parte de un proceso de MTCVD (CVD a media temperatura), y utilizado en combinación con óxido de aluminio u otros recubrimientos de CVD tradicionales. En los 20 años siguientes se produjeron importantes avances en investigación y desarrollo, que combinados con la experiencia de los talleres de mecanizado proporcionaron la base para las actuales generaciones de plaquita y para la progresiva reducción de los tiempos de mecanizado.
Necesidad de distintas calidades
La resistencia al desgaste y la dureza siguen siendo dos propiedades con las que es necesario llegar a un compromiso, sin embargo la mayor parte de las calidades de la nueva generación de plaquitas equilibran estas propiedades de distinta manera, lo que reduce considerablemente este problema. Las investigaciones realizadas han aportado luz sobre los efectos de las fuerzas destructivas sobre el filo de corte y han hecho que se centre la atención en otras propiedades.
El torneado general de acero es el área de mecanizado más amplia, tanto por cantidad de metal arrancado como por el número de distintas aplicaciones, por lo tanto, impone la mayor parte de las exigencias en lo que se refiere a filo de corte. La búsqueda de una calidad más satisfactoria para uso general en un mayor campo de aplicaciones medias, condujo a mayores niveles de fiabilidad del filo de corte y de adherencia del recubrimiento, combinados con una mayor resistencia al desgaste en cráter y un grosor de recubrimiento idóneo, lo que culminó con la introducción de la GC4225 en el año 2006. Esta innovadora calidad de torneado de acero fue heredera de una línea de calidades ISO P-25 y ofrecía una dureza suficiente para resistir fuerzas de corte variables, que combinaba con una buena resistencia a la deformación plástica a elevadas temperaturas de mecanizado, lo que aparentemente son exigencias contrapuestas.
La calidad GC4225 ofrecía una elevada eficacia, soluciones a nuevos problemas de mecanizado y una ampliación multidireccional del área de aplicación. Las mejoras provenían principalmente de su capacidad para hacer frente a una mayor velocidad de avance y de corte, una mayor profundidad de corte, y una vida útil más prolongada y fiable, con mayor previsibilidad.
Un filo de corte agudo implica un método de recubrimiento distinto
Los filos de corte más positivos y agudos son objeto de una demanda creciente. Tradicionalmente, esta exigencia requería una plaquita sin recubrimiento, positiva y rectificada. La aplicación de un recubrimiento significaba normalmente que se obtenía un filo más redondeado, y las elevadas temperaturas del CVD lo hacían un proceso más adecuado para fabricar gruesos recubrimientos resistentes al desgaste, de múltiples capas, ideales para elevadas velocidades de corte y grandes empañes del filo.
El cambio se produjo con la introducción de un nuevo tipo de recubrimiento, la deposición física por vapor (PVD), que a temperaturas más bajas conseguía obtener plaquitas con filos más agudos. El método PVD se conocía desde la década de 1950, pero hicieron falta entre 30 y 40 años para encontrar una aplicación en el recubrimiento de herramientas y plaquitas, que en un principio constaba solamente de nitruro de titanio, el recubrimiento dorado que se utiliza en la actualidad encima de todas las capas. Hoy día su utilización es mucho más amplia y su rango de aplicación se encuentra en continuo crecimiento. Entre las ventajas de añadir un fino recubrimiento a un sustrato de plaquita adaptado se incluye una sensibilidad más baja a diversos mecanismos y fuerzas convencionales de desgaste del filo de corte. De esta forma se dota a las plaquitas de los múltiples filos agudos necesarios en las fresas modernas para mantener una elevada fiabilidad, especialmente en los casos en que hay un elemento inestable en el proceso de mecanizado.
Una de las aplicaciones que precisan plaquitas intercambiables duras y más agudas es el desarrollo de fresas esbeltas de pequeño diámetro, que se utilizan en un número cada vez mayor de pequeños centros de mecanizado. Para resolver cuestiones de inestabilidad, baja potencia, y trayectorias de herramienta cortas, y en ocasiones desfavorables, tanto en mecanizado en seco como con refrigerante, se han desarrollado calidades de plaquitas recubiertas por PVD tanto para fresado de acero como de fundición. La calidad GC1030 (área P) y la GC1020 (área K) constituyen una nueva generación de calidades de plaquita de fresado para áreas de aplicación amplias, en cuyo diseño la seguridad del filo de corte ha sido un factor prioritario.
En el caso del fresado de acero, el PVD constituye una calidad complementaria para la optimización de operaciones en las que la seguridad depende de la dureza de la plaquita, por ejemplo, en ranurado con plaquitas positivas. La calidad GC1030 ofrece una gran versatilidad para una producción variada, más que la optimización para una elevada productividad. Un ejemplo típico de aplicación lo constituye el uso de una herramienta de largo alcance para el fresado de una cavidad en un bloque de acero, combinado con fresado en escuadra y fresado frontal de pequeñas superficies de contacto con la misma herramienta.
Por otro lado, la GC1020 es una calidad PVD que constituye la primera opción para muchas aplicaciones de fundición, especialmente para fresas de pequeño diámetro. Tiene un área de aplicación excepcionalmente amplia, es idónea para la mayor parte de las operaciones de fresado e ideal para tareas difíciles, así como para todo tipo de materiales de fundición, incluyendo grafito compactado (CGI).
Cada aplicación determina la calidad necesaria
En la actualidad, las calidades de plaquita recubiertas por CVD y por PVD son complementarias. Cada tipo de recubrimiento de plaquita ofrece ventajas excepcionales gracias a los años de desarrollo invertidos en los mismos, fundamentados en una amplia experiencia real y en el conocimiento de las tendencias de fabricación.
En el fresado de acero predominan habitualmente las exigencias de dureza; la inestabilidad durante el mecanizado y el estado del material del componente determinan la duración del filo de corte. Una nueva generación en calidades de fresado de acero, la GC4240, representa los progresos conseguidos: era necesario que fuera claramente superior en varios aspectos a su bien establecida predecesora. La calidad GC4240 tiene recubrimiento por CVD y combina la resistencia al desgaste requerida con una elevada tenacidad del filo de corte, cercana al nivel del recubrimiento por PVD, lo que representa un paso adelante en el rendimiento del mecanizado. Es apta para mecanizar sin problemas a altas velocidades de corte y con prolongados tiempos de contacto en condiciones difíciles, en áreas en las que predominan las fresas de diámetros medios y grandes.
Las exigencias del fresado de fundición son bastante distintas, principalmente debido al fuerte desgaste por abrasión y a la adherencia del material sobre la plaquita. Un recubrimiento por CVD más grueso, especialmente adaptado a estas aplicaciones, ofrece las ventajas de una buena barrera térmica y una alta resistencia al desgaste, como es el caso de la calidad GC3220, desarrollada para un elevado rendimiento del fresado de fundición en seco a alta velocidad y con tiempos de contacto prolongados. Esta calidad es complementaria de la calidad recubierta por PVD GC1020, ya que es más apropiada para optimizar el mecanizado con fresas de gran diámetro en condiciones estables.
Aspectos de la optimización de fresado y torneado
El fresado de acero plantea una amplia variedad de exigencias cuyo origen está en los numerosos y distintos tipos de componentes y cortes. Normalmente la exigencia es de una combinación de cualidades, más que de dureza principalmente, tanto en condiciones relativamente estables que demandan versatilidad como en casos en que es posible una alta productividad, primordialmente con una elevada carga por plaquita a velocidades de medias a altas.
La calidad GC4230 con recubrimiento por CVD de nueva generación permite una mayor velocidad de arranque de viruta en muchas operaciones de fresado de acero. Gracias a su mayor resistencia al desgaste, con menor exigencia de dureza, esta calidad de plaquita se puede utilizar en distintos tipos de fresa con datos de corte más altos. Al entrar en el área P30 se crea también una opción de herramienta más versátil. El fresado frontal con grandes empañes de diámetro de fresa y con avances de mesa altos, con o sin refrigerante, constituye una aplicación típica en la que la calidad GC4230 permite aumentar la productividad.
El fresado presenta exigencias de dureza inherentes combinadas con variaciones térmicas en el filo de corte, así como requisitos más amplios en lo que respecta a configuración, maquinaria, piezas y condiciones de trabajo. Los requisitos de dureza del torneado son distintos. El mecanizado es por naturaleza una labor continua; una calidad general y de campo medio para torneado de acero, por amplia que sea, se introduce en un área en la que la optimización mediante una plaquita más dura se convierte en una necesidad. Las condiciones de mecanizado son peores, las tolerancias de trabajo varían, los cortes intermitentes se hacen más exigentes, etc.: la dureza de la calidad en cuestión se convierte en decisiva.
En el caso del torneado de acero, la dura calidad de plaquita recubierta por CVD GC4235 de nueva generación admite mayores avances y profundidades de corte con tiempos de empañe más prolongados, además de altas velocidades de corte. Ofrece un comportamiento sobresaliente en los casos en que diversas fuerzas y el desgaste amenazan al filo de corte, y cuando la imprevisibilidad de la plaquita es un factor importante. Esta calidad aporta resistencia en un área de aplicación ampliada alrededor de P-35, en la que son típicas las plaquitas de tamaño medio y grande, y que incluyen materiales pegajosos como acero de bajo contenido en carbono y acero inoxidable.
En el otro extremo del torneado de acero, en que se esperan altas velocidades de corte con buenas condiciones de mecanizado y en las que los tiempos de empañe del filo pueden ser largos, el calor y los mecanismos de desgaste asociados se convierten en factores importantes. Estas operaciones requieren herramientas que permitan una gran productividad y ofrezcan una gran fiabilidad en la seguridad del filo. Esta situación no admite concesiones y afecta más a las operaciones de acabado, por ejemplo el torneado en desbaste en el que la geometría de plaquita se combina con la calidad para obtener un filo óptimo, típico en muchas operaciones en las que se utilizan plaquitas intercambiables grandes.
La P-15 es un área típica de aplicación de las plaquitas con CVD, en la que se debe evitar que la alta temperatura deforme el filo de corte, factor limitador que se repite con frecuencia. La calidad adecuada para esta área es GC4215, desarrollada para optimizar el torneado de acero de alta velocidad y ampliar la aplicación a la gran área media con GC4225 cuando las condiciones y requisitos son adecuados; la optimización de la duración del ciclo se puede beneficiar de esta calidad duradera de plaquita.
De igual manera, se ha establecido este enfoque de optimización para el fresado de acero: cuando la previsibilidad de la duración de la herramienta con altos datos de corte plantea problemas, la solución la constituye una calidad dura y duradera. GC4220 es una calidad de plaquita de nueva generación que optimiza la velocidad de arranque de viruta en fresado frontal sobre grandes superficies o cuando el tiempo de corte está limitado. Normalmente es necesario utilizar avances elevados y grandes empañes de la fresa en operaciones de desbaste, lo que aumenta la exigencia de duración y de seguridad del filo de corte.
Las nuevas generaciones de plaquitas: sin concesiones
Calidades de plaquita de uso general frente a uso específico, con recubrimiento por CVD frente a recubrimiento por PVD: éstas son las opciones entre las que se debe elegir. A medida que avanzan las aplicaciones y las herramientas, la planificación de producción debe definir las prioridades del mecanizado y las exigencias a las que está sujeto el filo de corte en todas las operaciones. Este análisis indica el camino para la selección de la calidad de plaquita.
Los datos de corte son un factor determinante de la productividad. Una mayor velocidad de corte y de avance siempre reducirá el tiempo de mecanizado. Una previsibilidad fiable de la vida de la herramienta determina la seguridad de la producción y la eliminación de paradas imprevistas; la elección de una vida adecuada de la herramienta para una operación concreta optimiza el tiempo de mecanizado entre el intercambio de la plaquita y el número de componentes. La capacidad del filo de corte de mantener una calidad continua del componente mantiene en marcha el mecanizado; la versatilidad de la herramienta puede reducir al mínimo los cambios de herramienta y los stocks en el almacén, al tiempo que la dedicación operativa a menudo aumenta el volumen de producción.
Con las nuevas generaciones de calidades de plaquita, el mecanizado necesita hacer menos concesiones. Y sin concesiones en el rendimiento de la herramienta, no hay necesidad de ceder terreno a la competencia en el sector de la fabricación.
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