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Los materiales empleados en la industria aeronutica y aeroespacial
deben tener caractersticas especiales debido a las condiciones
extremas a las que se ven sometido. Se han realizado grandes avances
en el desarrollo de nuevas aleaciones que soporten estas condiciones de
exposicin a altas temperaturas y sean resistentes a la corrosin.Sin embargo estas aleaciones presentan una gran dificultad a la hora de
ser mecanizadas. Por lo que se deben estudiar detenidamente los
procesos y tcnicas de mecanizado, las condiciones del mismo, los
diferentes tipos de herramientas y componentes de los que se puede
disponer a la hora de trabajar con este tipo de materiales y los avances
en estos campos.
Maquinabilidad; Aleaciones aeroespaciales; Herramientas de corte;
Mecanizado; Mecanizado en Rampa; Herramientas autopropulsadas;
Refrigeracin; Mecanizado en caliente.
Los materiales y aleaciones empleados en la industria aeronutica y
aeroespacial suelen ser aleaciones de hierro, niquel, titanio y aluminio,
adems de carbono materiales compuestos y cermicos. Estos
materiales poseen una gran resistencia a las altas temperaturas y a lacorrosin adems de una baja densidad lo que optimiza el consumo de
combustible. Las aleaciones de titanio y de niquel son las que mejor
satisfacen este criterio de ligereza y resistencia ya que al compararlas
con el acero este es mucho ms denso y posee una menor relacin
peso-resistencia, por lo que su uso se limita a pequeos componentes
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en este tipo de industria. Los compuestos de carbono estn ganando
peso en la industria aeroespacial debido a las mejoras en los procesos
de manufactura de este tipo de materiales con los que se obtiene un
gran compromiso entre una alta ligereza y resistencia. En la siguiente
figura podemos observar el porcentaje en peso de cada uno de los
materiales utilizados en una turbina de gas de una aeronave. Podemos
apreciar el incremento del uso de aleaciones de titanio y de niquel frente
a otro tipo de materiales.
Los metales aeroespaciales que renen las cualidades de ligereza y alta
resistencia son difciles de mecanizar pero, debido a sus caractersticas,su uso en la industria aeroespacial est muy extendido. Los fabricantes
de herramientas para el corte de metal llevan a cabo importantes
investigaciones en este campo para obtener nuevos procesos de
mecanizado y conseguir una mayor eficiencia productiva.
Los clculos de maquinabilidad de estos materiales en relacin con
desgaste de la herramienta, productividad, ndice de extraccin de
metal, fuerzas de corte, evacuacin de viruta e integridad de la pieza
ofrecen escasos resultados. Por lo general, el mecanizado de un
componente de una aleacin avanzada puede ser de diez a cinco veces
ms costoso que el de un material estndar, ya sea frrico o no.
Esto se traduce en una menor productividad, la necesidad de disponer
de un utillaje especfico, una maquinaria de gran especificacin, fluidos
de corte y sistemas avanzados de suministro del mismo, elevadas
cualificacin de los operarios y procedimientos de calidad cada vez ms
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estrictos. Mientras que los composites con matriz de metal reforzada
con fibra de carbono pueden mecanizarse eficazmente con herramientas
de metal duro y PCD, es difcil obtener una solucin para las aleaciones
de Ni y Ti.
Las aleaciones de nquel son tenaces, con gran resistencia a la
temperatura y al desgaste. Desde el punto de vista de la maquinabilidad,
las aleaciones de nquel tienden a endurecerse rpidamente. La elevada
presin producida durante el mecanizado origina elevadas carga, as
como el recrecimiento del filo de la herramienta. El fenmeno delendurecimiento tiene un efecto adverso en el proceso de mecanizado,
ralentizndolo, llegando incluso a deformaciones importantes en el caso
de piezas pequeas. La mejor opcin es mecanizar una pieza en
condiciones de estirado en fro con atenuacin de tensiones. El
laminado en caliente no es tan buena alternativa, siendo el recocido la
opcin menos recomendable para la mayor parte de aplicaciones.
Las superaleaciones de nquel aparecieron a principios de los aos 40 y
evolucionaron lentamente con el desarrollo de las turbinas de gas y la
imperiosa necesidad de soportar elevadas temperaturas y tensiones.
Con este tipo de aleaciones se llegan a alcanzar durezas en una rango
de 150 a 450 HV dependiendo del tratamiento trmico. Las sper
aleaciones suponen alrededor del 50% del peso de los motores en
aviacin y ofrecen elevada resistencia a la oxidacin, corrosin y
deformacin, manteniendo la resistencia incluso hasta 1000C.
Las aleaciones de niquel son las superaleaciones ms utilizadas. Estas
aleaciones poseen una relacin peso-resistencia considerablemente
mejor que la del acero. Otras aplicaciones en las que se emplean este
tipo aleaciones son equipamiento marino, reactores nucleares, plantaspetroqumicas y equipos de procesado de alimentos. El uso de
aleaciones de niquel en situaciones tan desfavorables y de exposicin a
un ambiente tan agresivo se debe a las caractersticas que aportan
dichas aleaciones como alta resistencia a la corrosin, a la fatiga
mecnica y trmica, resistencia a altas temperaturas y a grandes
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esfuerzos. Estas aleaciones contienen componentes intermetlicos
(Ni3(Al, Ta)) en una matriz de solucin slida de niquel con elementos
endurecedores como cromo (Cr), tungsteno (W) y renio (Re). El tntalo
(Ta) en el compuesto intermetlico mejora la resistencia a altas
temperaturas y a la oxidacin. Este elemento se puede sustituir por
titanio (Ti) para aumentar la resistencia a la temperatura y a la
oxidacin. En la tabla 1 se muestra una lista de ests aleaciones, el
Inconel 718 es la forma ms frecuente de encontrar aleaciones de
niquel.
Tabla 1. Aleaciones comerciales de niquel disponibles
Inconel (587, 597, 600, 601, 617, 625, 706, 718, X750, 901)
Nimonic (75, 80A, 90, 105, 115, 263, 942, PE 11, PE 16, PK 33, C-
263)
Rene (41, 95)
Udimet (400, 500, 520, 630, 700, 710, 720)
Pyromet 860
Astroloy
M-252
Waspaloy
Unitemp AF2-IDA6
Cabot 214Haynes 230
Las aleaciones de titanio surgieron para aplicaciones en motores de
aviacin en los aos 50, se empezaron a utilizar en gndolas y
cortafuegos y ms tarde en discos, labes y carcasas de compresores.
Las aleaciones de titanio son ms ligeras que las de nquel. La calidad
ms habitual es Ti-6Al-4V, que abarca un 50% de la produccin total de
aleaciones de Ti, es la mitad de densa que el inconel 718 y representa
aproximadamente un tercio del peso total del motor.
Algunos elementos presentes en las aleaciones de titanio, como cromo,
hierro, molibdeno, manganeso y vanadio, dificultan la maquinabilidad,
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siendo necesario calcular los parmetros de corte especficos para cada
aleacin.
Las tres fases bsicas del titanio son alfa, alfa-beta y beta, en funcin
de su estructura metalrgica y en orden ascendente de dificultad de ser
mecanizado. En aplicaciones aeroespaciales se tiende a utilizar
materiales beta.
Tipos de estructuras de las aleaciones de titanio:
Aleacin alfa: con xido y/o nitruro de aluminio
Aleacin beta: con molibdeno, ferrita, vanadio, cromo y/o manganeso.
La mayor parte de las aleaciones de titanio son una combinacin de
aleaciones a + , incluyendo Ti-6Al-4V y Ti5553.
Al igual que las aleaciones de niquel, las aleaciones de titanio poseen
una mejor relacin peso-resistencia en relacin con el acero lo que las
convierte en un material muy adecuado para la industria aeroespacial. El
uso de las aleaciones de titanio en este tipo de industria se debe a su
capacidad de mantener sus propiedades mecnicas a altas
temperaturas. Las aleaciones de titanio ofrecen una excepcional
resistencia a la corrosin, que permiten prescindir de un revestimiento
de proteccin como sera necesario en el caso de los aceros. Este tipo de
material tambin es ptimo para su aplicacin en estructuras de fuselaje
donde la temperatura de operacin excede los 130 C, que es la
temperatura mxima a la que suelen trabajar las aleaciones de aluminio.
Las aleaciones de titanios se emplean en compresores de alta y baja
presin, por componentes sometidos a altos esfuerzos mecnicos
debidos a la fuerza centrifuga como los labes y por componentes que
tienen que operar bajo severas condiciones de fatiga.
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Las aleaciones de titanio comprenden el 30% del total de la masa del
motor en el sector aeronutico comercial y el 40% en el militar.
Estas cantidades se podran aumentar mejorando las tcnicas deprocesado y eliminando defectos que provocan fallos inesperados que
disminuyen la eficiencia del motor. Uno de estos fallos es la aparicin
de fisuras o muescas que pueden causar defectos estructurales en el
motor.
La aleacin Ti6242S se usa principalmente en la turbina de gas
tanto en los elementos rotatorios tales como labes, discos y rotor que
trabajan a temperaturas superiores a los 540 C. Tambin se usa en
compresores de alta presin donde la temperatura a la que se trabaja
supera los 315 C. La aleacin Ti64 es la ms comn representando
un 60% del total de la produccin de titanio. Esta aleacin tambin se
usa en los elementos de la turbina de gas, tanto en los rotatorios como
en los estticos adems de en la carcasa y cubiertas.
Podemos definir maquinabilidad como la facilidad o dificultad que
ofrece un material a ser mecanizado bajo unos parmetros modificablesde trabajo como pueden ser la velocidad de corte, el avance de la
herramienta, o la profundidad de corte. Se puede definir un ndice de
mecanibilidad que depender de la vida de la herramienta, del acabado
superficial y de la energa consumida durante el proceso de mecanizado.
La fuerza a la que estn sometidos los componentes y la forma de la
viruta es otra forma de evaluar la maquinabilidad de un material.
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La compleja maquinabilidad de las aleaciones empleadas en la industria
aeronutica y aeroespacial, en especial las aleaciones de titanio y las
aleaciones de niquel, se debe a sus particulares caractersticas que
expondremos seguidamente.
- La elevada dureza a altas temperaturas causa deformaciones de la
herramienta de corte durante el proceso de arranque de viruta.
- Las elevadas fuerzas dinmicas de resistencia al corte que se
producen durante el proceso de arranque de viruta provocan esfuerzos
localizados y se producen dientes de sierra en el filo de la herramienta
los cuales favorecen la aparicin de entallas o fisuras en misma cuando
se mecanizan aleaciones de titanio.
- La matriz austentica de las aleaciones de niquel produce un proceso
endurecimiento rpido durante el mecanizado. Esto es uno de las
mayores causas de desgaste en el filo de corte de la herramienta.
- La presencia de carburos duros y abrasivos (MC, M23C6) en la
microestructura de las aleaciones de niquel favorece la erosin de la
herramienta.
- La mala capacidad de disipar el calor conlleva que se alcancen
temperaturas superiores 1000C en el extremo de la herramienta
provocando un elevado gradiente de temperatura.
- La soldadura de material de la pieza al borde de la herramienta da
lugar a lo que se conoce como borde recrecido que al formarse
deteriora el acabado superficial de las piezas mecanizadas adems de
disminuir la calidad del material sobre el que se trabaja.
- Las aleaciones de titanio reaccionan con la mayor parte de los
materiales a elevadas temperaturas, lo que puede provocar un desgaste
acelerado de la herramienta de corte.
Los progresos en la tecnologa de las herramientas han llevado al
desarrollo de avanzadas herramientas de corte y lubricantes que
aportan una gran estabilidad trmica y qumica al proceso de
mecanizado mejorando notablemente la maquinabilidad de las
superaleaciones aeroespaciales. Estas herramientas de corte incluyen,
recubrimientos de carburos cementados, herramientas cermicas,
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nitruro de boro cbico (Cubic Boron Nitride - CBN) y recubrimientos de
lubricanes slidos (solid lubricant coating - SLC).
Otras tcnicas de refrigeracin y lubricacin, tales como sistemascriognicos, de refrigeracin por inundacin, refrigeracin a alta
presin y lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity
lubrication - MQL), son tcnicas que se emplean con el fin de
complementar las propiedades de las herramienta. Su objetivo es
minimizar las temperaturas de la zona de corte, la viruta que se
desprende, la pieza y la herramienta de corte.
5.1. Mecanizado de aleaciones de titanio y de niquel.
En trminos generales, las herramientas de corte con desprendimiento
positivo son las idneas para mecanizar este tipo de materiales, ya que
literalmente cortan el material en lugar de deformarlo hacia delante.
Este tipo de herramientas minimizan los esfuerzos que aparecen en el
proceso de mecanizado de superficies adems de disminuir la
posibilidad de aparicin de borde recrecido.
Para conseguir el corte ideal, es fundamental aplicar el avance y la
profundidad de corte correctos, as como seleccionar la mejor geometra
de la herramienta para evitar la friccin. Incluso aplicando las mejores
condiciones, pueden aparecer tensiones que deformen la pieza. El mejor
sistema para una mxima estabilidad dimensional es realizar una
operacin de desbaste para mitigar las tensiones, y despus una de
acabado. Es importante tener en cuenta que el alivio de tensiones tiene
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muy poco efecto sobre las dimensiones, pero puede afectar a las
propiedades mecnicas.
Cuando se mecaniza Inconel es casi imposible obtener viruta
discontinua o fragmentarla en pequeos trozos. Esto es debido a la
elevada resistencia al desgaste del material. En consecuencia se produce
un importante incremento de la temperatura en la zona de corte.
Durante la operacin, cuando existe un contacto continuo entre
herramienta y material (por ejemplo, en aplicaciones de fresado de
ranuras), el calor y la presin generados pueden ocasionar la
deformacin plstica del filo de corte. Por tanto, un filo de corte vivo
minimiza las tensiones en la pieza y mejora la formacin de viruta.
La rigidez del sistema de fijacin y la eficacia de la refrigeracin en el
filo de corte son tambin factores fundamentales. Una velocidad de
corte demasiado baja puede llevar al recrecimiento del filo, fenmeno
que tiene un efecto directo sobre la herramienta, reduciendo su
duracin significativamente. La combinacin de ndices de avance ms
ligeros con un estrecho control de la velocidad de corte ofrece muy
buenos resultados, cuando se utilizan fresas de ms de cuatro dientes,
con unos ndices de extraccin de metal ms elevados sin aumentar la
carga por diente ni las tensiones en el material.
Para aplicaciones de fresado y torneado a gran velocidad se
recomiendan fluidos con base acuosa, debido a su gran capacidad de
refrigeracin. Pueden ser aceites solubles o soluciones qumicas. Para
operaciones ms lentas, como taladrado, mandrinado, roscado y
brochado, se necesitan lubricantes pesados y mezclas muy ricas de
soluciones qumicas. Las unidades de refrigeracin a alta presin son la
solucin definitiva para mejorar el rendimiento del refrigerante y
permitirle alcanzar la zona de corte para una buena evacuacin de
viruta. El constante flujo de refrigerante y un perfecto direccionado
mantienen controlada la temperatura de la zona de corte.
Las herramientas de torneado de una sola punta para mecanizar
aleaciones aeroespaciales deben tener ngulos de desprendimiento
positivo, para cortar el metal y no arrancarlo, como ocurrira si se
utilizaran ngulos de desprendimiento negativo.
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Otra funcin del ngulo de desprendimiento es alejar la viruta de la
superficie ya mecanizada. Debe ser lo suficientemente grande para que
haya espacio, y lo bastante pequeo como para que proporcione el
soporte adecuado al filo de corte. Los filos deben tener los ngulos de
desprendimiento adecuados para la aleacin y deben ser lo
suficientemente anchos y profundos para fragmentar la viruta sin
forzarla ni aglomerarla.
Se puede mejorar la fragmentacin de la viruta mediante la
implementacin en la herramienta de un pequeo obstculo que obligue
a la viruta a romperse, esto se consigue gracias al rompevirutas. El
radio entre el obstculo del rompevirutas y el plano del ngulo de
desprendimiento debe ser pequeo. Un radio suave y pequeo con unngulo adecuado evita que la viruta se adhiera al rompevirutas. Las
dimensiones del rompevirutas dependen del ndice de avance aplicado.
Los requisitos fundamentales para el fresado son precisin y acabado
uniforme. Por tanto es indispensable tener herramientas con filos vivos
y mquinas y fijaciones rgidas. Debido a que el fresado implica un corte
interrumpido, es importante que el avance y la velocidad sean correctos.
Un avance demasiado ligero, casi rozando la superficie sin el suficiente
espesor de viruta, ocasionar un endurecimiento excesivo de la
superficie.
Es preferible utilizar fresado descendente, ya que se evita la friccin e
impacto en el inicio del mecanizado. Adems, el movimiento
descendente aumenta la rigidez de la herramienta y disminuye la
vibracin. La nica desventaja es la necesidad de controlar la posible
holgura de la mesa.
El fresado frontal es preferible al fresado tangencial con fresa de tipo
rodillo, ya que se reduce el endurecimiento y la vibracin. Los
problemas de viruta en fresado son los mismos que en torneado. Lasfresas estndar disponen en general de espacio suficiente para la
evacuacin de viruta. Las fresas para aplicaciones pesadas con
desprendimiento radial positivo y axial a 45 son las ms adecuadas
para fresado de desbaste de todas las aleaciones. Las fresas, de metal
duro integral o no, para aplicaciones ligeras con desprendimiento radial
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positivo y labios helicoidales con desprendimiento axial son la mejor
opcin para las aleaciones de mayor resistencia dentro de este grupo. La
velocidad de corte es baja y la carga de virutas ligera. Para aplicaciones
de acabado en todas las aleaciones, las fresas deben tener una hlice
pronunciada, desprendimiento radial positivo y labios helicoidales.
Las fresas para desbaste, con dientes alternos a la hlice opuesta, son
idneas para aplicaciones de fresado de ranuras.
Al mecanizar aleaciones de titanio debemos tener en cuenta que la
naturaleza del titanio es ms elstica que la del acero, por lo que se
deben utilizar las fijaciones adecuadas y geometras de herramientas de
corte vivas y agresivas para evitar vibraciones incluso con bajas cargas
de corte. Estas limitaciones obligan a utilizar herramientas con
geometras muy positivas y filos de corte vivos, poniendo ms nfasis en
el avance que en la velocidad de corte. Estas condiciones garantizan los
mejores resultados en cuanto a productividad y acabado superficial. Los
portaherramientas rgidos son tambin esenciales para evitar
vibraciones y, como en aleaciones de nquel, es necesario utilizar
grandes cantidades de refrigerante, dirigido a presin al filo de corte. El
flujo de refrigerante a presin mejora la evacuacin y el control de
virutas y disipa el calor.
Las deformaciones de las herramientas ms habituales con las que nos
podemos encontrar al trabajar con aleaciones aeroespaciales son fisuras
o muescas, desgastes de las caras, incluso crteres o fractura de la
herramienta.
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El mecanizado con una configuracin lo ms estable posible de la
mquina herramienta previene las vibraciones y el consecuente
deterioro del acabado superficial pudiendo ocasionar la ruptura de la
herramienta. Adems de esta forma se pueden mantener tolerancias
mucho ms exigentes. La desviacin o la mala colocacin de la pieza
deben evitarse especialmente cuando se est trabajando en el
mecanizado de piezas delgadas o con aleaciones de titanio. Se debe
tomar las medidas oportunas para minimizar todo lo posible el
movimiento durante el mecanizado.
La maquinabilidad de las aleaciones de nquel y de titanio puede ser
mejorada empleando tcnicas como el ramping o mecanizado en
rampa, refrigeracin a alta presin, maquinado en caliente, tcnicascriognicas o la aplicacin de tcnicas basadas en el uso herramientas
rotativas autopropulsadas (Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).
La eficiencia del mecanizado de aleaciones aeroespaciales depende en
gran medida del conocimiento de la eleccin ms adecuada del material
de la herramienta, de la velocidad de corte, del tiempo de la operacin y
de los componentes de la propia mquina-herramienta.
Las investigaciones sobre los materiales de las herramientas de corte y
el desarrollo de las tcnicas de mecanizado han dado como resultado un
gran aumento de la eficiencia del proceso de mecanizado de
superaleaciones aeroespaciales. Hoy en da este tipo de aleaciones
pueden verse sometidas a procesos de mecanizado de alta velocidad de
una forma eficaz y econmica gracias a los recientes avances referidos a
herramientas de corte y a tcnicas de mecanizado.
En los siguientes puntos estudiaremos tanto el tipo de materiales
empleados en las herramientas de corte como las tcnicas que permiten
optimizar el proceso de mecanizado.
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La deficiente maquinabilidad de las aleaciones aeroespaciales obliga a
trabajar con materiales para herramientas de corte que soporten
elevadas temperaturas y grandes esfuerzos mecnicos concentrados en
el filo de corte, adems, en condiciones de elevada velocidad, esto suele
dar lugar a deformaciones de carcter plstico y acelera el desgaste de
las herramientas de corte. Trabajando en estas condiciones la mayora
de los materiales generalmente pierden su dureza dando lugar a la
disminucin de las fuerzas de unin entre las partculas del material y a
la consiguiente aceleracin del desgaste de la herramienta. La siguiente
figura nos muestra los puntos crticos de varios materiales disponiblespara el uso en herramientas de corte y la variacin de la dureza de las
herramientas con la temperatura.
El mecanizado de alta velocidad de aleaciones aeroespaciales se realiza
normalmente con herramienta con recubrimiento de carbono, cermicas
y CBN/PCBN (Cubic boron nitride /Polycrystalline cubic boron nitride)
mientras que las herramientas que no estn recubiertas son empleadas
a velocidades bajas. Las herramientas compuestas de materiales
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cermicos no se suelen usar para mecanizar aleaciones de titanio
debido a que son poco efectivas ya que las aleaciones de titanio son
altamente reactivas con los materiales cermicos.
6.1. Herramientas con recubrimiento de carburos
Podemos emplear dos tipos de herramientas de carburos en
aplicaciones de mecanizado. Los carburos puros y los mixtos. Los
carburos compuestos tienen carburo de titanio (TiC), carburo de tntalo
(TaC) o carburo de niobio (NbC) y otras tierras raras aadidos a la base
del carburo en su forma ms pura. Las herramientas destinadas al
mecanizado de aleaciones aeroespaciales se designan segn la norma
ISO con la letra M. Estas contienen una cantidad de cobalto de entre el 6
y el 9 %, de TiC de entre el 4 al 8 % y de Ta(NbC) de entre el 5 y el 10 %
con una dureza entre 1450 y 1650 HV.
Los recubrimientos cermicos mejoran las propiedades de las
herramientas de carburo. Estos recubrimientos son materiales de una
alta dureza por lo que dotan a las herramientas de una mayor
resistencia. Poseen muy buenas propiedades a altas temperaturas como
pueden ser una buena resistencia al desgaste, una superior resistencia a
la oxidacin, y una alta dureza. Las buenas propiedades de lubricacin
que aportan estos recubrimientos a las herramientas de corte minimizan
la friccin entre la herramienta y la pieza consiguiendo disminuir la
temperatura de corte.
El recubrimiento de los materiales tambin disminuye las fuerzas
generada durante el mecanizado. Cuando se mecanizan aleaciones
aeroespaciales se pueden conseguir altas velocidades de corte si
empleamos herramientas con recubrimientos de carburos. En este
mbito se estn llevando a cabo muchas investigaciones con el objetivo
de determinar el efecto del recubrimiento en las herramientas.
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Los materiales que se suelen utilizar para el recubrimiento de
herramientas de corte son TiC, TiN, Al2O3, TiCN, TiAlN, TiZrN, TiB2 y
recientemente se estn incluyendo recubrimientos de diamante. Seestima que el 40% de todas las herramientas de corte usadas en la
industria estn recubiertas y el 80% de ellas se usan para el mecanizado.
La velocidad ptima cuando se usan herramientas de corte con
recubrimiento de carburo en el mecanizado de aleaciones de nquel est
entre 30 y 100 m/min. Esto es posible debido a la mejora de la
resistencia al desgaste y buena lubricacin aportada por el
recubrimiento a las herramientas de corte. Un mejor control de la viruta
y una reduccin de la adherencia de la misma a la pieza dan como
resultado un mejor acabado superficial en la pieza mecanizada.
Un incremento en la velocidad de corte implica un incremento de la
temperatura en el filo de la herramienta. El aumento de la temperatura
en el filo de la herramienta est influido por la longitud del contacto
entre la viruta y la pieza. Sadik y Lindsstrm explican que la longitud
natural de contacto entre la herramienta y la viruta depende del tipo de
herramienta empleada y del material de la pieza mecanizada y que en
los materiales sin revestimiento normalmente se produce un incremento
de la longitud de contacto entre la viruta y la pieza. Por lo que estas
herramientas sin recubrimientos pueden aumentar las temperaturas en
un corto espacio de tiempo. Los herramientas con recubrimientos de
carbono proporcionan una menor distancia de contacto entre la viruta y
la pieza adems se consigue un retraso en el desgaste por abrasin y
aparicin de fisuras o muescas cuando se mecanizan aleaciones como el
Inconel 718.
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6.2. Herramientas Cermicas
El uso de herramientas cermicas para aplicaciones de mecanizado se
ha incrementado notablemente en las dos ltimas dcadas, como
herramientas de corte ha llagado a ser ms potente, rgida y estable
para soportar altas velocidades de trabajo. Los materiales con una baja
resistencia a la fractura pueden ser usados para mecanizar con un bajo
riesgo de fractura. Las herramientas cermicas son duras y pueden
conservar su dureza a las altas temperaturas que se generan a elevadas
velocidades de corte. Este tipo de herramienta presenta una mayor
resistencia a agentes qumicos inertes y a la oxidacin que los carburos
cementados. La baja resistencia a la fractura de las herramientas
cermicas las hace susceptibles a shocks trmicos y mecnicos duranteel mecanizado. Las cermicas tienen altos puntos de fusin y la ausencia
de una fase aglutinante secundaria, como los carburos, les impide el
reblandecimiento a alta velocidad. Hay principalmente dos categoras de
herramientas cermicas:
-Cermicas basadas en almina que est compuesta por xidos puros,
xidos mixtos y carburo de silicio (SiC) reforzado con monocristales de
almina.
-Cermicas basadas en nitruro de silicio
En la siguiente tabla se muestran las propiedades de las herramientas de
corte cermicas.
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6.3. Herramientas de CBN
Las herramientas de nitruro de boro cbico (Cubic Boron Nitride - CBN)estn formadas por cristales hexagonales de nitruro de boro sometido a
condiciones de altas temperaturas, alrededor de 1400 C, y elevada
presin, sobre unos 6000 MPa. Son los materiales para herramienta ms
duros despus del diamante y se usan principalmente para mecanizar
aceros endurecidos. Su uso est restringido a mecanizados de acabado
con el fin de competir de forma eficaz con operaciones de rectificado
que es un proceso muy costoso para la generacin de superficies
complejas.
El mecanizado de aleaciones aeroespaciales con herramientas de CBN no
se ha extendido mucho debido al coste de las herramientas y la dureza
extrema del CBN lo que favorece la fractura al mecanizar en
condiciones de cortes profundas. El precio de las herramientas de CBN
es del orden de 10 a 20 veces mayor que a las herramientas de
carburos. Las herramientas cermicas se usan tanto para el desbastado
como para operaciones de acabado mientras que las herramientas de
CBN son principalmente utilizados en operaciones de acabado para as
minimizar el coste. La necesidad de usar herramientas de CBN para el
mecanizado de aleaciones aeroespaciales puede justificarse como labsqueda de materiales para herramientas con propiedades ptimas a
altas temperaturas para mayores velocidades de mecanizado. Esto
asegurar mayores tasas de produccin de piezas mediante procesos de
mecanizado. La buena estabilidad trmica de las herramientas de CBN
impide las reacciones qumicas con los materiales de las piezas en
condiciones de alta velocidad. A 1000C, la dureza de las herramientas
de CBN es similar que la de las herramientas de tungsteno al carbono a
temperatura ambiente, sobre 1800 HV. lLas herramientas de CBN se
usan principalmente para el mecanizado de materiales con una dureza
superior a 340 HV.
Dos tipos de herramientas de CBN que podemos encontrar en el
mercado son conocidas como CBNH (alto contenido de CBN) y CBNL (bajo
contenido de CBN). La aleacin de bajo contenido en CBN contiene
carburo de titanio (TiC) o nitruro de titanio (TiN) aportando altas
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resistencia al desgaste, con una reduccin de la resistencia a la fractura.
La aleacin de alto contenido en CBN es, por lo general, ms dura y
posee una mayor resistencia a la fractura. Las cualidades de las
herramientas de CBN no dependen nicamente del contenido de CBN,
sino tambin de factores tales como la microestructura de la
fase aglutinante, o los procesos de fabricacin empleados. Las
aleaciones CBNL trabajan mejor que las CBNH cuando mecanizamos
aceros debido a las bajas temperaturas y esfuerzos generados entre la
herramienta y la pieza. Las aleaciones CBNH trabajan mejor cuando
mecanizan aleaciones como el iconel 718. La alta resistencia al desgaste
por entalladuras de herramientas de CBNH hace que estas herramientas
sean adecuadas para el mecanizado de aleaciones de nquel. Las
herramientas de CBN se usan normalmente para mecanizar aleacionesde nquel a velocidades de corte superiores a los 240 m/min.
A continuacin vamos a exponer brevemente los avances ms
significantes en tcnicas de mecanizado de aleaciones de nquel y
aleaciones de titanio. Podemos destacar como avances en las tcnicas
de mecanizado de aleaciones aeroespaciales los siguientes:
- Mecanizado en rampa ramping.- Tcnicas basadas en el uso herramientas rotativas
autopropulsadas (Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).
- Refrigeracin a alta presin.- Lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity lubrication
MQL).
- Refrigeracin criognica- Mecanizado en caliente
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7.1. Mecanizado en rampa ramping.
El mecanizado en rampa o ramping consiste en realizar continuas
pasadas variando la superficie de contacto entre la herramienta y la
pieza durante el mecanizado, esta tcnica se realiza con centros de
mecanizado CNC que permiten una gran cantidad de movimientos, con
el fin de distribuir el desgaste del filo de corte de una forma ms
eficiente, con lo que se consigue un aumento de la vida til de la
herramienta y se disminuye la aparicin de posibles fisuras o entallas en
la herramienta de corte. La aparicin de fisuras o muescas en la
herramienta es la causa de ruptura de la herramienta ms comn
cuando se mecanizan aleaciones de niquel o de titanio. Controlar la
aparicin de fisuras o entallas es casi imposible ya que se producen y
crecen de forma aleatoria. Este fenmeno provoca importantes efectos
adversos sobre la superficie de acabado esperada al realizar un proceso
de mecanizado. Las fisuras o muescas, en especial las que se producen
en el filo de corte, pueden ser minimizadas empleando un ngulo de
ataque elevado ya que la mayor parte del borde de corte est implicado
en el corte, distribuyendo de esta forma el desgaste de la herramienta.
7.2. Tcnicas basadas en el uso herramientas rotativas autopropulsadas
(Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).
Este mtodo se diferencia del convencional en que se le aade el
movimiento del filo de corte a los convencionales movimiento de avancede la herramienta y movimiento de corte.
El movimiento que le hemos aadido de rotacin de la herramienta nos
asegura que el filo de corte se encuentra por un corto espacio de tiempo
implicado en la accin de corte, seguido de un periodo de descanso o
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recuperacin en la que no est en contacto con la
pieza. De esta forma se facilita la disipacin del
calor.
La rotacin de la herramienta se consigue bien de
forma externa, es el caso de la herramienta
rotativa impulsada (driven rotary tool - DRT), o
bien gracias a las fuerzas de corte ejercidas sobre
la herramienta, es el caso de las herramientas autopropulsadas (Self-
Propelled Rotary Tooling - SPRT).
Los beneficios que aporta est tcnica al proceso de mecanizado son los
siguientes:
- Aumentar la vida de la herramienta.- Se producen temperaturas de corte
ms bajas.
- Mejora la maquinabilidad, sobretodo al trabajar con aleaciones
como las de titanio o las de nquel.
- Permite eliminar una mayor cantidadde metal en una pasada.
- Muy buen acabado superficial.- Las alteraciones de la superficie no
se producen o son insignificantes.
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La mayor resistencia al desgaste, el aumento que se consigue de la vida
til de la herramienta con esta tcnica y la mejora en el proceso de
mecanizado se debe a la reduccin de la velocidad de corte, al uso
completo del filo de corte y a la disminucin de la temperatura en el
mismo debido a la mejora en la transferencia de calor como resultado
de la rotacin de la herramienta durante el mecanizado.
Las herramientas empleadas en el sistema SPRT pueden tener problemas
a causa del shock trmico y mecnico que se produce por el
movimiento caracterstico del filo de la herramienta en este mtodo de
mecanizado.
Las fuerzas de cortes y las fuerzas radiales que se producen en el
mecanizado con SPRT son inferiores a los obtenidos en el torneado
convencional, ya que se reduce el trabajo realizado en la formacin de
viruta y existe una menor friccin sobre la cara de incidencia de la
herramienta SPRT.
7.3. Refrigeracin a alta presin
El objetivo fundamental de la tcnica de refrigeracin a alta presin es
reducir de forma significativa la temperatura generada durante el
mecanizado a alta velocidad. Esto se consigue mediante la inyeccin de
refrigerante a alta presin sobre la zona de corte.
El refrigerante tambin acta como lubricante, por lo que minimiza la
friccin entre los componentes
dando lugar a mejores acabados y a
una mayor vida til de la
herramienta. Los refrigerantestienden a evaporarse a causa de las
altas temperaturas que se producen
cerca del filo de corte. Pueden
llegar a formar una nube de
refrigerante vaporizado a alta
temperatura lo que mermara el efecto del propio refrigerante. El punto
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de ebullicin de los lquidos de corte ms habituales suele estar en
torno a los 350C.
Se debe prestar atencin al uso de herramientas cermicas en procesos
de refrigeracin de alta presin, ya que por sus caractersticas se
pueden ver afectadas por las fuerzas ejercidas sobre las mismas debido
a la inyeccin del refrigerante a presiones muy elevadas.
Con este mtodo tambin podemos lograr un mayor control de la viruta,
ya que facilita su ruptura consiguiendo evitar que se formen largas
virutas.
7.4. Lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity lubrication
MQL).
Una de las principales desventajas de los fluidos de cortes es el efecto
negativo que ejercen sobre el medio ambiente. Adems, debido a su
toxicidad, puede causar graves consecuencias en la salud de los
operarios que se encuentran en contacto con los lquidos de corte. Para
dar solucin a alguno de estos problemas y minimizar los efectos
negativos, el conocido como mecanizado limpio est cobrando cada
vez ms importancia. Esto consiste en emplear la cantidad mnima
necesaria de refrigerantes durante el mecanizado y emplear lquidos
refrigerantes que respeten el medioambiente adems de utilizar estos
mismos de forma responsable.
La tecnologa de lubricacin por cantidades mnimas (MQL) consiste en
la aplicacin de una pequea cantidad de agua y de aceite soluble, 6
100 ml/h1, que se aplica directamente sobre la zona de trabajo
mediante una corriente de aire comprimido dirigido sobre el filo de
corte. Las mejoras en el mecanizado se pueden atribuir al aceitelubricante que se aplica a cierta presin muy cerca de la zona de
contacto entre la viruta y la pieza y entre la pieza y la herramienta, por
lo que se consigue reducir la friccin y las fuerzas que se generan
durante el mecanizado. La reduccin de la temperatura en la zona de
corte con el sistema MQL se consigue principalmente por el efecto
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refrigerante del aire comprimido y por la evaporacin del refrigerante.
Una cantidad importante de calor es absorbida debido a la evaporacin
del lubricante, as se consigue una significante reduccin de la
temperatura en la zona de corte. La soldadura de la viruta al filo de
corte y las presiones que se generan en este proceso son la principal
causa de rupturas de herramientas en el fresado de aleaciones de titanio
con herramientas de acero rpido. Con el MQL este tipo de fallos se
pueden reducir considerablemente lo que implica una gran mejora en el
acabado superficial de las piezas mecanizadas. El sistema MQL ha
mostrado el potencial de este mtodo en el mecanizado tanto en
condiciones de baja como de alta velocidad. La principal desventaja de
usar este sistema es la aparicin de vapores que representan un peligro
latente para la salud de los trabajadores. Este inconveniente se puedeminimizar empleando buenos extractores que eliminen los vapores del
ambiente de trabajo.
7.5. Refrigeracin criognica
La refrigeracin criognica es una forma eficaz de mantener la
temperatura de corte bastante por debajo de la temperatura de
reblandecimiento del material de la herramienta. Esta tecnologa se
emplea principalmente en procesos de rectificado debido a las altas
temperaturas que se alcanzan en la zona de trabajo del proceso de
rectificado, las cuales pueden llegar a daar la superficie de la pieza si
no se controlan y producir alteraciones fsicas y qumicas de las
caractersticas de las capas superficiales de la pieza, aparicin de
tensiones residuales y grietas en capas superficiales o interiores de la
pieza. El principio de la refrigeracin criognica en procesos de
rectificado requiere direccionar un chorro de gases licuados a presin en
la zona de trabajo. El refrigerante que se utiliza normalmente en la
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refrigeracin criognica es nitrgeno lquido (LN2) por su bajo costo y
por no ser nocivo para el medio ambiente.
Cuando empleamos una herramienta de corte RBSN (reaction bonded
silicon nitride) con CBN mediante este mtodo se genera una
temperatura mxima de 829 C a diferencia de los 1153C que
obtendramos empleando un mtodo de mecanizado seco. Estas
temperaturas estn por debajo de la temperatura de reblandecimiento
(1500 C) de la herramienta de corte de CBN, por lo tanto se obtiene una
mejora en el rendimiento de la herramienta este sistema. El desgaste de
las piezas y las herramientas de corte cuando mecanizamos aleaciones
de titanio Ti6Al4V con carburos cementados usando el refrigerante
LN2 y lo comparamos con un mecanizado convencional conrefrigeracin convencional hace evidente un incremento de hasta 5
veces del desgaste de la herramienta empleando refrigeracin
convencional.
7.6. Mecanizado en caliente (Hot Machining)
Este mtodo se basa en el conocimiento de que los metales tienden a
deformarse ms fcilmente cuando aumenta la temperatura, con la
consiguiente facilidad de mecanizado de determinados materiales.
Las tcnicas de aplicacin de calor
que se han investigado han sido por
corriente elctrica, por arco, por
induccin de alta frecuencia y
chorro de plasma entre otros. Se
han explorado varios mtodos de
calentamiento pero todos tienen
limitaciones en cuanto a su
aplicacin y no se pueden utilizaren todas las circunstancias. Por ejemplo, calentamiento por rayo lser
tiene una baja eficiencia y un coste muy elevado debido a la gran
cantidad de potencia que se requiere para su aplicacin, o
calentamiento por haz de electrones al vaco y nuevamente aparece el
problema del coste del proceso. Ests limitaciones han impedido que el
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mecanizado en caliente emplee en la industria de fabricacin hasta que
un avance cientfico, como es el arco de plasma, provoc un cambio
drstico. Este proceso deja atrs varias desventajas como son el coste,
la necesidad de generar condiciones de vaco, daos metalrgicos a la
pieza adems de asegurar mejores acabados superficiales, alargando la
vida de la herramienta y mejorando la produccin.
El mecanizado en caliente con arco de plasma asistido utiliza un arco de
plasma a elevada temperatura que permite localizar la fuente de calor
en la zona de corte, una pequea porcin de la pieza, lo que permite no
influir en las propiedades metalrgicas del resto de la pieza.Un arco de
plasma consiste en una corriente de gas ionizado a alta temperatura y a
alta velocidad sometido a una alta corriente por un arco elctrico debajo voltaje.
Los beneficios de este proceso son:
-El incremento de la cantidad de metal que se puede eliminar.
-Capacidad de mecanizar metales duros y difciles de trabajar incluso
cuando estn muy endurecidos y tratados trmicamente, como es el
caso de las aleaciones aeroespaciales.
-No se producen daos metalrgicos al mecanizar superficies.
-Incremento de la vida de la herramienta.
-Es apto para cortes interrumpidos.
-Un ahorro de costes en el mecanizado de las piezas.
Se han producido avances en la investigacin del mecanizado hibrido
que combina tcnicas de refrigeracin criognica y mecanizado con arco
de plasma para el mecanizado de aleaciones aeroespaciales. El
reblandecimiento mediante el arco de plasma facilita el mecanizado de
la pieza mientras el nitrgeno, que acta como refrigerante, protege la
herramienta del sobrecalentamiento, de esta forma se minimiza laaparicin de defectos en la herramienta debidos a la temperatura y el
desgaste de la misma. Estos estudios muestran una mejora del 250% en
el acabado superficial de la pieza, un 156% en la mejora de la vida de la
herramienta y una reduccin entre el 30% y el 50% en las fuerzas
generadas en un proceso de mecanizado convencional.
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Se han producido unos grandes avances durante los ltimos tiempos en
el avance de los mtodos y las tcnicas de mecanizado gracias a la
introduccin de nuevos materiales y a la mejora de las tcnicas de
mecanizado y refrigeracin.
Centrndonos en la industria aeroespacial, podemos observar que se
han desarrollado e introducido nuevos materiales para las herramientas
de corte y se han producido grandes avances en la investigacin de
nuevas tcnicas de mecanizado que a la hora de mecanizar
superaleaciones de uso aeroespacial como son las aleaciones de nquel
o de titanio permiten superar las dificultades que estas presentandebido a su gran dureza y su gran resistencia a altas temperaturas y a la
corrosin. Esto permite que las herramientas de corte no pierdan sus
propiedades alargando su vida til y no se comprometan las
caractersticas de la pieza mecanizada ni el acabado superficial de la
misma.
Sera bueno resaltar los progresos obtenidos con la introduccin de
tcnica de mecanizado hbrido que combina la refrigeracin criognica
de la herramienta de corte con el mecanizado en caliente por arco de
plasma. Esta tcnica presenta grandes ventajas a la hora de mecanizar
aleaciones difciles de mecanizar como las superaleaciones de uso
aeroespacial.
[1] J. Paulo Davim
Ed: Springer 2008.
[2] John R. Walker
Tinley Park (Illinois): Goodheart-Willcox, cop. 2004
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[3] F.C.Campbell
1 Edition. Ed: Elsevier
[4] Matthew J. Donachie, Stephen J. Donachie
2 Edition Ed: ASM International.
[5] E.O Ezugwu, J. Bonney, Y Yamane
Volume 134, Issue 2, 10 March 2003, Pages 233-253
[6] E.O Ezugwu
International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume
45, Issues 1213, October 2005, Pages 1353-1367
[7]
http://www.imh.es/sarea/giga/2011/03/16/mecanizado-de-
materiales-exoticos-para-la-industria-aeronautica-2/