El camino (con herramientas) para un mecanizado-acabado óptimo

El mundo está lleno de segmentos industriales con una alta exigencia técnica. Los sectores aeroespacial, de la automoción, de moldes y matrices, médico, petrolífero y de gas son solo algunos de los más conocidos. Un tema recurrente es el uso cada vez más extendido de materiales difíciles de mecanizar como las superaleaciones termorresistentes (HRSA), el titanio, el cromo de cobalto y los aceros inoxidables tenaces. Esto, junto con las estrictas especificaciones y las limitaciones de tiempo, hacen que la capacidad para mecanizar estos materiales hasta altos niveles de integridad superficial nunca haya sido tan importante en el intento de evitar operaciones de postmecanizado como el acabado o pulido manual

Un tipo especial de mecanizado que, debido a su naturaleza, necesita frecuentemente operaciones de postmecanizado es la apertura de cavidades. Muchas piezas con forma prismática, como los componentes estructurales aeroespaciales, culatas para automóviles, cavidades en moldes y colectores en el sector petrolífero, tienen cavidades con ángulos abiertos y cerrados, donde el uso de herramientas de corte inadecuadas o estrategias de mecanizado y de datos equivocadas pueden causar vibraciones y "chatter", lo que a su vez produce acabados superficiales defectuosos. Este resultado hace necesario un acabado adicional, que lógicamente añade más tiempo y mayores costes.

Naturalmente, la selección de la herramienta de corte adecuada es de importancia vital. Sin embargo, para conseguir el objetivo óptimo de "hacerlo bien a la primera", la estrategia de proceso adecuada y los parámetros de corte correctos también desempeñan un papel clave. Según el fabricante de herramientas de corte y sistemas de herramientas SANDVIK COROMANT, en la actualidad la mayor parte de los talleres de mecanizado espera que los proveedores de herramientas de corte suministren algo más que herramientas de buena calidad; muchos de ellos prefieren una estrategia de colaboración, por lo que eligen a un proveedor que pueda ofrecer soluciones completas añadiendo su conocimiento experto de los procesos.

Una de las primeras áreas de atención debe ser la optimización del proceso de corte durante la programación. Este es el momento de implantar las mejores prácticas de mecanizado en función de las características de cada componente. Teniendo esto en cuenta, un caso práctico de Sandvik Coromant en operaciones de cavidades demuestra los principios que están en juego.

Utilizando un centro de mecanizado Mori Seiki vertical con husillo de cono ISO 50 y refrigerante exterior tradicional, el fresado trocoidal es la técnica principal utilizada para producir una cavidad larga y estrecha (34 mm de ancho x 200 mm de largo x 40 mm de profundidad) en un componente de titanio Ti-AL64V (CMC 23.22).

El fresado trocoidal es básicamente un método de 2D que utiliza técnicas de fresado de alta velocidad en espacios cerrados para obtener elementos con ranuras en materiales endurecidos. La herramienta se programa con una trayectoria de espiral continua, controlando el arco de empañe para mantener las fuerzas de corte bajas y permitir una profundidad de corte axial alta.

En esencia, el proceso necesario para producir con éxito cavidades sin necesidad de operaciones de postmecanizado es el siguiente: taladrar para producir un punto de entrada para la fresa; realizar mecanizado trocoidal en la longitud de la ranura para eliminar material; realizar un fresado de restos en las esquinas; y finalmente realizar el mecanizado-acabado de la base y las paredes.

Aunque es posible que esto parezca sencillo, la difícil naturaleza del titanio junto con los exigentes requisitos de acabado superficial garantizan que será necesario preparar una estrategia de forma cuidadosa. Aquí es donde Sandvik Coromant puede ayudar a sus clientes a definir el proceso de mecanizado, las estrategias de programación y la simulación para demostrarlo, antes de implantarlo en la instalación.

La primera secuencia requiere el uso de una broca CoroDrill® 880 de 33 mm de diámetro, una herramienta que ofrece cuatro filos de corte verdaderos con tecnología de plaquita rascadora para conseguir un acabado superficial optimizado. En esta aplicación, el punto de entrada para la fresa se taladra a una velocidad de corte de 88 m/min, una velocidad de avance de 119 mm/min, un avance por revolución de 0,14 mm y una velocidad del husillo de 849 rpm.

Para un fresado trocoidal de la ranura, se utiliza una fresa de espiga de metal duro de 20 mm de diámetro CoroMill® Plura con un radio esquinado de 3 mm a una velocidad de corte de 102 m/min, avance por diente de 0,08 mm, velocidad de avance de 559 mm/min y velocidad de husillo de 1.629 rpm. La profundidad del corte radial es de 2,5 mm, mientras que la profundidad del corte axial es de 39,5 mm, dejando solo 0,5 mm para acabar en profundidad de cavidad.

La tercera operación requiere el uso de una fresa de espiga de metal duro CoroMill Plura de 12 mm de diámetro con un radio de 3 mm para realizar un fresado de restos en las esquinas. Se utiliza la misma velocidad de corte y, aunque el avance por diente se reduce ligeramente a 0,07 mm, la velocidad de avance se aumenta a 737 mm/min mientras que la velocidad del husillo también se aumenta a 2.701 rpm en este caso.

Estas dos operaciones anteriores preparan el camino para la importante fase de mecanizado-acabado que se encarga del fresado del suelo de la cavidad y del acabado-contorneado de las paredes de la cavidad. De nuevo, la fresa de espiga de metal duro CoroMill Plura con un radio esquinado de 3 mm proporciona la solución, esta vez en su versión de 10 mm de diámetro. El avance por diente se mantiene en 0,07 mm, mientras que la velocidad de corte, la velocidad de avance y la velocidad del husillo aumentan a 119 m/min, 1.062 mm/min y 3.792 rpm respectivamente.

El programa de Sandvik Coromant de fresas de espiga de metal duro CoroMill Plura incluye formas de herramientas para la mayoría de las operaciones, en diámetros que van desde 0,4 hasta 25 mm. La fresa CoroMill Plura es especialmente adecuada para aplicaciones de mecanizado, acabado y superacabado a alta velocidad en materiales exóticos o difíciles de mecanizar, o en materiales endurecidos como aceros de herramientas de hasta 63 HRc.

Muchos componentes torneados están sujetos a los mismos parámetros críticos de acabado superficial que sus homólogos prismáticos. Teniendo esto en cuenta, un reciente estudio de la integridad superficial de Inconel 718 (envejecido) y de aleación de titanio Ti6Al4V realizado por Sandvik Coromant en colaboración con el Centro de investigación sobre métodos de fabricación avanzados, AMRC (Advanced Manufacturing Research Centre), de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Sheffield ofreció unos resultados particularmente esclarecedores.

Está bien documentado el hecho de que el proceso de torneado puede, en algunos casos, afectar a la integridad de los componentes finales, lo que podría llevar a la larga a reducir la resistencia a la fatiga en piezas giratorias críticas como discos y ejes.

La combinación de la fuerza de corte y las temperaturas elevadas generadas durante el mecanizado produce alteraciones en la microestructura del material, lo que puede causar cambios en la microdureza, deformación plástica de los límites del grano y tensiones residuales en la subsuperficie del componente.

La investigación estuvo centrada en el torneado-acabado de piezas críticas de motores en el sector aeroespacial con el objetivo de desarrollar calidades, geometrías y parámetros de corte optimizados para así poder dejar el componente en óptimas condiciones. Para hacerlo, se desarrolló una matriz de pruebas de diferentes radios de punta, calidades, geometrías, velocidades y avances (en total más de 50). Se midió la subsuperficie del componente en busca de microdurezas, tensión residual y deformación del límite del grano para cada parámetro utilizando un filo de plaquita nuevo y un filo de plaquita desgastado.

Se observó que el efecto en la integridad de la superficie de las aleaciones de titanio y de níquel variaba mucho. Por ejemplo se descubrió que, independientemente del cambio de parámetros, no había un auténtico patrón de cambio en la estructura de la subsuperficie en el titanio, aunque la vida de la herramienta sí se alteraba de forma significativa. Sin embargo, la aleación de níquel Inconel 718 resultó ser un material de investigación mucho más interesante, ya que mostraba una notable tendencia a los cambios, de los cuales el más significativo era la velocidad de corte y de avance. El efecto producido por un cambio de avance parecía pequeño; sin embargo, un aumento de la velocidad de corte tuvo un efecto perjudicial en las características de la subsuperficie con un filo desgastado.

Otros hallazgos mostraron que, cuando el radio era mayor de 3 mm, se podía observar que la profundidad de deformación del material de la pieza aumentaba debido a que el menor ángulo de entrada desviaba más fuerza hacia el componente, mientras que se vio que la plaquita recubierta de CVD de Sandvik Coromant de calidad S05F obtenía mejores resultados debido a la mejor adherencia del recubrimiento y la mejor barrera térmica que ofrecía la capa de óxido de aluminio, con lo que se minimizaba el desgaste en el filo posterior.

Los resultados de la investigación, además de guiar la I+D, los utilizan ahora en todo el mundo los ingenieros de asistencia técnica de Sandvik Coromant con el fin de proporcionar recomendaciones para obtener la mejor calidad de superficie en combinación con los métodos de torneado más rápidos y seguros.