Nuevos niveles de productividad y fiabilidad en el torneado de acero inoxidable

Hoy en día, para que el mecanizado de acero inoxidable sea competitivo es necesaria la adecuada combinación de productividad y fiabilidad. El mecanizado de aceros inoxidables somete la arista de corte a niveles de temperaturas y fuerzas de corte, manchado y endurecimiento más altos que con cualquier otro material de trabajo. Dichos esfuerzos destructivos unen esfuerzos manteniendo bajos los datos de corte, acortando la vida de herramientas y deteriorando la calidad de los componentes – lo cual convierte el torneado de acero inoxidable en un campo a tomar especialmente en consideración.

El desarrollo de herramientas de corte ha ofrecido sin cesar nuevas oportunidades para lograr una mayor eficacia en el mecanizado mediante aristas de corte, ya que las mismas no tienden a provocar fallos. El mecanizado de acero inoxidable ha progresado notablemente, especialmente en la década anterior, y dicho progreso está dando un paso más con una nueva generación de calidades de plaquitas indexables dedicada a una amplia área del torneado de acero inoxidable. Será una calidad que abarcará la mayoría o todas las operaciones de un taller de máquinas.

El mecanizado de acero inoxidable es un área que está en proceso de crecimiento constante.

El torneado de acero inoxidable se emplea tanto en las partes muy pequeñas de la mecanización suiza como en las partes de brida enormes de la industria de proceso; desde componentes de bomba hasta acoplamientos. Para poder adecuarse a las distintas aplicaciones de los componentes, el acero inoxidable varía considerablemente en cuanto a propiedades y maquinabilidad, ya que algunos tipos son bastante más fáciles de elaborar a máquina que otros.

Mediante el torneado de acero inoxidable, se trata en gran medida de disipar dudas en el mecanizado, lo cual es una tarea que corresponde al personal de producción de toda la industria del metal.

A menudo, a raíz de las dudas surgen problemas inesperados que pueden desembocar en interrupciones del trabajo y pérdidas de producción. En cuanto al mecanizado, la tarea de seleccionar la herramienta de corte adecuada (plaquita indexable) y aplicarla correctamente requiere una amplia experiencia debido a la gran cantidad de variables que forman parte de una operación: materiales de piezas, avances de herramientas, sujeción de herramientas/piezas de trabajo, fluido refrigerante, datos de corte, etc. A la hora de elaborar las herramientas de corte, es necesario conocer debidamente tanto la acción y el procedimiento de corte que lleva a cabo la arista en el material como las anteriores experiencias y nuevas experiencias de las aplicaciones, para poder así elaborar una herramienta menos propensa a un desgaste poco propicio.

Sandvik Coromant ha desarrollado calidades de carburo de tungsteno para plaquitas indexables desde los años 50 del siglo pasado, e introdujo calidades de carburo de tungsteno de primera calidad en los 60 junto con carburo de tungsteno revestido; barras térmicas de óxido de aluminio en las plaquitas en los 70; aumento de la tenacidad de substratos escalonados funcionales durante los 80; mejoró la resistencia al desgaste de las calidades en los 90, incluyendo deposición en fase de vapor química de temperatura media (MT-CVD), – para nombrar algunos de los hitos que han proporcionado a la industria metalúrgica unos costes de fabricación más bajos y una producción más alta.

El desarrollo continuo es el resultado de inversiones importantes no sólo en I+D, sino también en una plantilla de especialistas que trabaja estrechamente con talleres de máquinas en todas las industrias de fabricación que elaboran el mecanizado de metales. Ello ha asegurado un conocimiento exhaustivo de áreas tales como el torneado de acero inoxidable y ha dado lugar a hechos concretos para el desarrollo de nuevas plaquitas. Ese hecho ha contribuido a dar un paso más en el desarrollo de calidades de plaquitas para optimizar el torneado de acero inoxidable acorde con las actuales necesidades de producción.

El acero inoxidable es un campo donde desde siempre ha existido la necesidad de obtener mayores niveles de productividad junto con la fiabilidad de proceso, pero en menor medida que la fiabilidad de proceso de las clases de acero corrientes. Desafortunadamente, los materiales de piezas estándares son insuficientes a la hora de cubrir las necesidades de la maquinabilidad en un sentido más amplio.

Además de la composición química del material, factores como la producción del acero inoxidable o la elección del diámetro de la barra de la pieza para la aplicación influirán en la maquinabilidad. La elección del avance de la herramienta con una salida desfavorable puede reducir la vida útil de la herramienta de las plaquitas hasta la mitad; el uso de un portaherramientas antiguo puede crear vibraciones que provocan fracturas en la arista de corte; y un cambio en el suministro de líquido refrigerante cambiar desfavorablemente el modo de desgaste de la calidad que se está empleando.

En el actual proceso de corte del metal, la geometría de la arista de corte y el material de la herramienta se desarrollan para que funcionen conjuntamente con el fin de obtener unos niveles óptimos de factores tales como esfuerzos de corte, generación de calor y control de virutas. En el acero inoxidable, reducir esfuerzos de corte es de máxima prioridad. Ello se debe al calor que se genera al deformar el metal y a la cantidad reducida de calor que sale con las virutas, por lo que las temperaturas suben considerablemente en la zona de corte de la plaquita. La temperatura de la zona de corte es considerablemente más elevada en el mecanizado de acero inoxidable (materiales ISO M) que en el mecanizado de acero (materiales ISO P), especialmente a altas velocidades de corte. Asimismo, a causa del endurecimiento por deformación y de las propiedades adhesivas del acero inoxidable se requiere mayor tenacidad en el material de la herramienta.

El endurecimiento por deformación y la ductilidad del acero inoxidable, junto con la conductividad térmica relativamente baja en la fase austenítica del metal, dirigen el avance del la carga en la arista de corte y por lo tanto, el tipo y el grado de desgaste y la vida de la herramienta. Para poder reducir las magnitudes de esfuerzos de corte y proporcionar un control de virutas apropiado en las geometrías de aristas de corte macros y micros diseñadas cuidadosamente y adaptadas al torneado de acero inoxidable, las plaquitas indexables han sido fabricadas para aportar una amplia capacidad en todas las calidades para materiales de acero inoxidable. Para cada aplicación la calidad de material varía considerablemente en lo que respecta a las propiedades y a la maquinabilidad

Gracias al avance de la maquinabilidad, los aceros inoxidables tales como SANMAC, que contribuyen a la mejora de la productividad, han mejorado.

Desde el punto de vista de los talleres de máquinas, la nueva arista de corte posee una amplia capacidad para superar limitaciones anteriores. Como en el caso de la velocidad de salida de metal, por ejemplo, en el mecanizado de grandes lotes de componentes de tipo saliente de material de barra austenítica mejorado con respecto a su maquinabilidad a piezas forjadas en material dúplex. Otros ejemplos incluyen la eliminación de fracturas de aristas de corte durante el torneado interno automático de tubos con otras calidades de acero inoxidable o el establecimiento de datos de corte óptimos para el mecanizado eficaz de una variedad de componentes en diferentes tipos de acero inoxidable. Es primordial obtener el adecuado equilibrio entre productividad y fiabilidad de proceso. Con el fin de responder a todas esas necesidades, Sandvik Coromant ha diseñado durante años diversas calidades dirigidas al área de materiales de pieza ISO M.

Es importante tener en cuenta las propiedades de las herramientas, ya que casi la mitad de las averías de aristas de corte se debe a la tenacidad de la herramienta o a la falta de resistencia a la generación de calor en la arista de corte. Por lo tanto, los casos mencionados constituyen un problema oculto de fiabilidad y no tanto un problema de tenacidad.

Últimamente, la recién diseñada GC2025 ha sido la calidad de plaquita más elegida para el torneado de acero inoxidable. Dicha placa ha sido rediseñada dotándola de mayor capacidad. Por lo tanto, proporciona más oportunidades para una mayor productividad, a la vez que asegura un nivel elevado de fiabilidad.

El desarrollo de calidades de plaquitas de tungsteno de carbono revestido ha incrementado ostensiblemente el rendimiento y no es diferente en el caso de la GC2025. El objetivo ha sido proporcionar una calidad de plaquita aplicable a un área más amplia – a ser posible, una misma calidad para todas las operaciones – y con un nivel más elevado tanto en el rendimiento como en la seguridad de mecanizado.

Al diseñar la nueva calidad de plaquita, se tomó en consideración la geometría de la arista de corte, sustrato de la plaquita y recubrimiento de la plaquita con el fin de obtener el rendimiento adecuado en el área de aplicación. La geometría de la arista de corte para el mecanizado de acero inoxidable es bastante afilada en comparación con la geometría para el mecanizado de acero, de modo que los esfuerzos de corte se reducen al mínimo

Asimismo, es necesario que la capacidad de rotura de viruta sea mayor en el mecanizado de acero inoxidable con el fin de asegurar el control de virutas en una amplia área de datos de corte.

El sustrato de la plaquita debe proporcionar una base apropiada para el recubrimiento y asegurar una adherencia adecuada. En cuanto a las propiedades básicas del sustrato de tungsteno de carbono, en el que el cobalto proporciona tenacidad y el material de tungsteno resistencia de carburo para la carga térmica así como deformación, se considera que el grosor del grano, especialmente el del carbono de tungsteno es muy importante a la hora de definir el comportamiento de tenacidad de la plaquita. Así, un grano de gran tamaño proporciona mejor tenacidad que uno de tamaño pequeño.

El dominio de diferentes aspectos del material y procesos constituye la base de un rendimiento óptimo de las plaquitas indexables recubiertas. Actualmente, el desarrollo del sustrato de las plaquitas se basa en elegir la mejor combinación para ayudar al recubrimiento a absorber las grietas y ser lo suficientemente resistente a las deformaciones de plástico locales. Asimismo, es muy importante llevar a cabo un control de proceso y purificar debidamente los sustratos de las plaquitas en la producción para que el recubrimiento se adhiera y se extienda de forma controlada.

También puede que, en el horno de sinterizar, el gas de atmósfera que es relativamente reactivo ronde e incluso pase del punto de fusión de la temperatura del cobalto o del estado superficial de las plaquitas con las que se está trabajando en la cadena de producción.

Los recubrimientos multi-capa han sido empleados durante muchos años y en el transcurso de su desarrollo los problemas de dentado han ido desapareciendo. La nueva GC2025 ofrece un mayor rendimiento de las propiedades adhesivas, propiedades de aislamiento y propiedades de resistencia al desgaste, lo cual aporta una mayor capacidad a los datos de corte y un mejor tratamiento de desgaste de herramientas, especialmente de los producidos por las tendencias de manchado.

El recubrimiento superior de GC2025 es una capa de nitruro de titanio (TiN) dorada y fina. Funciona principalmente como marcador para aristas de corte que se utilizan en la plaquita, e indica claramente el desgaste, a la vez que mejora las propiedades de rozamiento de la superficie de la plaquita.

El siguiente recubrimiento, debajo del recubrimiento TiN, se compone de un recubrimiento de óxido de aluminio (Al2O3). Esto último es una estructura de varias capas de alumina que tiene propiedades interesantes en la mecanización. El mecanismo de esfuerzos multi-capa emplea más energía para penetrar el recubrimiento. Ese proceso se lleva a cabo mediante la desviación de fisuras y la absorción de energía en cada sub-capa – de forma muy parecida a la función de las construcciones sandwich en la industria aeroespacial, etc.

El recubrimiento de alumina funciona como una barrera efectiva contra el desgaste químico, así como barrera contra el desgaste en cráter. Asimismo, actúa contra la carga térmica excesiva, lo que es aún más importante en el mecanizado de acero inoxidable. En lo que a ello se refiere, son muy importantes tanto la resistencia frente al impacto térmico como la resistencia a la fluencia y al impulso mecánico.

Como base del recubrimiento de plaquitas se ha incorporado en el sustrato una capa de carbonitruro de titanio deposición química de vapor de temperatura mediana (MTCVD-TiCN). La estructura de este recubrimiento también es interesante, ya que sus granos crecen como columnas. Ello proporciona una buena resistencia al desgaste, debido a que todos los granos se sostienen entre sí en la estructura de columna. Lo que significa que el desgaste ocurre a través de un número de granos que no inician y, por consiguiente, no propagan grietas. El resultado es una prolongación notable de la vida de herramienta en las aplicaciones en las se prevé una vida de herramienta más corta.

Además, las propiedades intrínsecas de cada capa de recubrimiento proporcionan una resistencia contra la formación de virutas adheridas en el filo de la herramienta así como otras tendencias de manchado.

La adhesión del material de la pieza a la plaquita conlleva que el material alterna entre pegarse despegarse, dañando la arista de corte de la herramienta. El nuevo recubrimiento proporciona límites críticos en cada capa y esto influye en las propiedades fundamentales de la capa posterior.

Con el desarrollo del GC2025, ya no es imposible el poder disponer de una única calidad para la mayoría, por no decir todas, las aplicaciones de un taller de máquinas. Esta calidad ha demostrado unos resultados prometedores en cuanto al torneado de distintas graduaciones de acero inoxidable. Esto, junto con la capacidad del mecanizado con datos de corte bastante más altos y a niveles altos de fiabilidad de proceso - crea la base para una plaquita adecuada para la mayoría, por no decir todas, las operaciones en el tornado de acero inoxidable.

Por último, unos consejos prácticos a tener en cuenta antes del torneado del acero inoxidable:

• Durante la programación, tener en cuenta que la superficie de las barras tiene valores de dureza más altos que el centro y que las tendencias de manchado aumentan hacia el centro de la barra (especialmente cuando se alcanza el límite de velocidad del husillo de la máquina)
• Cambiar las cunas más a menudo si se utilizan geometrías diferentes de plaquitas indexables y cargas de corte con el mismo portaherramienta
• Para cortes intermitentes, reducir o quitar el líquido refrigerante.
• Ponerse en contacto con un distribuidor de herramientas de corte que proporcione un servicio de ayuda para las aplicaciones, etc.
• Reducir variaciones en la maquinabilidad limitando el número de proveedores de materiales de trabajo.

Las exigencias características de las herramientas de corte para el mecanizado de acero inoxidable son altas fuerzas de corte, altas temperaturas, tendencia de manchado y endurecimiento de los componentes de la superficie.

La dureza de los materiales de la pieza de trabajo afecta la vida útil de las herramientas de corte. Un material duro suele exigir que se disminuya la velocidad de corte para mantener la vida útil de la herramienta. El acero inoxidable se endurece por deformación cuando se estira en frío, siendo el austenítico él que más se endurece. Incluso las barras que han sido enderezadas se estiran en frío hasta cierto punto, con unos valores de dureza de superficie de 300 HB o más, aunque el interior del material tenga la mitad de la dureza especificada. El cromo influye muy poco en el mecanizado en comparación con el níquel y el molibdeno. Éste, sobre todo, causa más endurecimiento por deformación. El corte de metal en sí implica cierto estirado en frío. La capa endurecida por deformación es mucho más gruesa en el acero inoxidable austenítico que en el acero de carbono. Suele ser más ventajoso seleccionar una profundidad de corte y velocidad de avance que asegura que la arista de corte penetre el material atravesando la zona dura.

La conductividad térmica tiene un papel importante en el corte de metal, en el sentido de que la mayoría del calor de la zona de corte se elimina con la viruta durante el mecanizado de acero. Sin embargo, el acero inoxidable tiene una conductividad térmica más pobre, dejando más calor en la zona. Estas temperaturas de corte más altas aumentan la tendencia de desgaste de la herramienta. Así mismo, la deformación plástica es un factor de riesgo alto. Una geometría positiva y una rompevirutas abierta con un avance de viruta más fluido y suave significan menos calor.

La ductilidad es un factor que exige mucho a la capacidad de romper virutas en cuanto a aceros con poco porcentaje de carbono. Sin embargo, los aceros austeníticos también son altamente dúctiles y necesitan mucha energía para cortar una viruta, con el consiguiente aumento de calor.

La formación de rebabas es otra característica del mecanizado de acero inoxidable y suele ser causada por un corte excesivamente duro. Se puede reducir o eliminar esta posibilidad utilizando una arista de corte más positiva y afilada más apropiada para este tipo de materiales.

Existen diversos factores que se combinan para hacer que el mecanizado de acero sea más exigente. Un endurecimiento por deformación y una conductividad térmica y ductilidad pobres significan que se debe tener en cuenta la selección y correcta aplicación de herramientas de corte desarrolladas específicamente para el acero inoxidable. También se debe tener en cuenta las condiciones de mecanizado y el buen estado de las herramientas de la máquina.

Una plaquita positiva significa un corte y un avance de viruta más continuo con menos variaciones en las fuerzas de corte y temperaturas más bajas así como menos endurecimiento por deformación del material.

Una arista de corte más afilada significa una acción de corte más suave con unas fuerzas más bajas y menos formación de rebabas en las piezas de trabajo. La arista más afilada conlleva menos deformación del material de la pieza de trabajo. Se ha descubierto que una arista de corte positiva y afilada, combinada con un rompevirutas abierto correctamente equilibrado, es la mejor solución para el mecanizado de acero inoxidable. Sin embargo, estas características deben ser sopesadas con la necesidad de conseguir una estabilidad y una fuerza de arista suficientes en el proceso de mecanizado. Esta plaquita tiene que estar bien sujetada con suficientes tapas soportes y tener aristas de corte reforzadas así como cortes intermitentes.

A la hora del endurecimiento por deformación de la superficie del componente, el austenítico y el súper austenítico son los más sensibles, seguidos por los aceros dúplex. Las fuerzas de corte son más altas en el mecanizado de súper austenítico, acero dúplex así como aceros martensíticos. Por lo que respecta a la acción de corte, la formación de virutas y la capacidad de rotura, los aceros de súper austenítico y dúplex son los más exigentes seguidos por el austenítico.