Historia del Metal Duro Capítulo 3º. Nace la fijación mecánica

El empleo del metal duro dejó obsoletas muy rápidamente las máquinas-herramienta de la era del “acero rápido”, con sus escasas prestaciones, faltas de velocidad, desprotegidas frente a la avalancha de virutas que se generaban y sin la necesaria rigidez. Fueron sustituidas mediante el imprescindible impulso económico después de la segunda guerra mundial, aunque fue de menor medida en nuestro país, debido al aislamiento económico a que se vio sometido por las democracias internacionales.

¿Cómo resolver los inconvenientes del metal duro soldado? Al principio de los años sesenta se empezó a fijar las plaquitas mediante elementos mecánicos, sin soldadura y con geometrías regulares que permitían el cambio de arista sin pérdidas importantes de medida, y sobre la propia máquina reduciendo espectacularmente el tiempo de ajuste o puesta a punto; la pastilla soldada de un solo filo podía sustituirse entonces, por varios filos nuevos. La plaquita se ajustaba en el asiento del porta-herramientas de acero que incluía una placa/asiento inferior de acero rápido o metal duro tenaz, como soporte para proteger el cuerpo de acero. Es difícil atribuir a una sola marca el invento, ciertamente Sandvik Coromant patentó un sistema, pero otras marcas casi simultáneamente también lo hicieron, Seco, Kennametal, Widia, Tizit, etc. La fijación más habitual fue la brida superior y las geometrías se denominaron positivas las de una sola cara con ángulo positivo en incidencia y planas o positivas en desprendimiento; y negativas las de doble cara negativas en desprendimiento y positivas en incidencia.

Otra característica fueron los tamaños “grandes” de plaquita que se suponía daban mayor tenacidad y resistencia, muy abonadas por marcas estadounidenses como Carboloy y Kennametal (USA, todo en grande) mientras en Europa eran ligeramente menores y de menor precio. Las formas y ángulos de posición asemejaban a las herramientas soldadas por pura imitación, siendo populares las formas triangulares (T), cuadradas (S), redondas (R) y romboidales (D), y poco más tarde las romboidales de 80º (C) auxiliaron a las frágiles triangulares de 60º.

¡Ya no se precisaba reafilado! Se eliminaron o redujeron departamentos. Sin la puesta a punto laboriosa. El rendimiento era uniforme. La calidad del metal duro mejor, la descarburación inapreciable y con más posibilidades de incrementar la velocidad y el avance. El éxito estaba garantizado, solo se necesitaba normalizarlas para obtener intercambiabilidad entre marcas: aparece el primer problema y hablamos casi sólo de torneado…

La ISO (siglas para Organización Internacional de Normalización), se creó en el año 1946 en la sede del Instituto de Ingenieros Civiles en Londres, con la presencia de 64 representantes delegados provenientes de 25 países. La finalidad era facilitar una unificación en normas de industrialización y una mejora en la coordinación internacional de empresas.

Al año siguiente, en el mes de febrero, se hizo oficial la creación de la ISO y empezó sus operaciones. La fecha oficial de inicio de actividades fue el 27 de febrero de 1947. La ISO reconoció en el año 1977 que la ISA creada como ‘Instrument Society of America’ el 28 de abril de 1945, en Pittsburgh, EE UU fue el primer prototipo de la organización bien estructurada y se acordó definir a la ISO como la organización única a nivel internacional para la normalización.

Se normalizaron en el sector de las herramientas mediante ISO 1832 que ha ido modificándose y cubre en su mayor parte el torneado e intenta recoger las innovaciones de los fabricantes en lo posible. La constante investigación y las patentes propias de las marcas en realidad han hecho imposible la pretendida intercambiabilidad en muchos casos. ¿Por qué ha sucedido? Pues porque algunas marcas especializadas han impuesto su propio sistema de forma técnica o comercial y se han protegido con patentes (de 20 años) mientras otras marcas hacen ‘reproducciones’ más o menos acertadas; esto sucedió por ejemplo con el programa de tronzado de Iscar, sin normalización ISO alguna, y que además continuamente lanza nuevos productos patentados al igual que en ranurado, incluso herramientas multidireccionales. También la sueca Seco con Snap-Tap un extenso programa de roscado en torno, consiguió establecer una ‘normalización paralela’ muy seguida por la práctica totalidad de fabricantes y que se ha convertido en habitual. Ya no digamos cuando en 1998 Iscar lanzó programa de brocas con punta cambiable sin elemento de fijación, sin existir normalización ISO y con una pléyade de imitaciones no intercambiables. Estas son algunas de las ‘normalizaciones’ impuestas por las marcas que investigan, innovan y…patentan y que los mecanizadores aceptan sencillamente porque les supone beneficios.

Se introdujeron nuevos sistemas de fijación: tornillos en el centro de la plaquita, pin excéntrico en el centro más brida superior, cuñas, cuñas/bridas etc. Hasta la aparición que se fue imponiendo en torneado: la palanca. El sistema solo precisa de una sola llave hexagonal y no es preciso sacar tornillos u otros elementos para el cambio de filo o de plaquita. La comodidad para el operador mostró su importancia, se extendió rápidamente y hasta hoy es muy popular, aunque tiene sus detractores (sujeción algo débil) y sus partidarios (facilidad máxima) pero con diversas mejoras o modificaciones se convirtió en muy popular. Otro sistema que en los ‘70 dio respuesta a una aplicación hasta entonces muy incómoda era el tronzado. Esta operación no estaba resuelta, las bridas largas, los muelles, etc. no dieron con la solución, entonces la auto-sujeción (self grip) desarrollada por Yosi Panno de Iscar, donde la propia presión del corte fija la plaquita en un doble prisma sin necesidad de elemento alguno de sujeción, resolvió de esta original manera el tronzado/ranurado en torno y en fresa, se hizo fácil, naciendo un concepto nuevo no imaginado hasta entonces: que el asiento de la plaquita era distinto a la geometría de la misma, pero de ello hablaremos más adelante. Este inicio determinó la innovación en los diseños en fijación mecánica de la marca originalmente israelí.

En el fresado, como fijación, se impuso inicialmente la cuña/brida para las plaquitas planas, negativas para la fundición y neutras o ligeramente positivas para los aceros. Soportar el impacto frente a la relativa fragilidad de la dureza del metal duro, dirigía a los técnicos/diseñadores hacia filos reforzados en todos los sentidos. La dificultad técnica de fabricar cuerpos de fresa lo suficientemente precisos tanto axial como diametralmente obligó a introducir sistemas de regulación en cada asiento. Estas dificultades retardaron un poco la evolución de la fijación mecánica en el fresado frente a la del torneado.

Las nuevas máquinas de control numérico fueron la auténtica revolución industrial, alteraron por completo el esquema de los criterios de mecanizado Los husillos a bolas sin holguras, el bloqueo de los ejes y la precisión y la repetitividad dieron alas a la elevación de los parámetros de corte minimizando la fragilidad del metal duro. Las máquinas adelantaron esta vez a las herramientas y estás tuvieron que adaptarse a las nuevas posibilidades. Los carenados completos, la refrigeración incrementada y los transportadores de viruta permitieron trabajar a baja temperatura evitando deformaciones y dilataciones térmicas. Los correctores de medida, los ciclos de programación ‘G’ de desbaste, de perfilado, de roscado, de taladrado, de mallas, etc., etc. dieron paso a generaciones de nuevas herramientas. Ésa es la auténtica revolución que transformó las estrategias de mecanizado. Los fabricantes de herramientas lanzaron nuevos productos como: la esencial geometría romboidal de 80º en los’70 y’80, las brocas con plaquitas intercambiables (Sandvik en 1977), las plaquitas de roscar de perfiles precisos, las herramientas multidireccionales, y las calidades pensadas para trabajar con refrigeración abundante y continua.

En las fresadoras, ya denominadas centros de mecanizado, se dio nueva vida a las llamadas fresas de alta producción, pero con ahora con fijación mecánica, para el desbaste/escuadrado, perfilado y el nuevo concepto desconocido hasta entonces denominado ‘interpolación circular’, que casi eliminó los clásicos mandrinados mediante charriones. La precisión llegó lógicamente a la fabricación de los propios cuerpos de las fresas, reduciendo drásticamente la hasta entonces necesidad de regulación de las plaquitas, iniciando la fijación de la plaquita mediante un tornillo. En el taladrado desapareció la utilización de las plantillas, pero aún se utilizaron las brocas de HSS hasta diámetros de alrededor de 20 mm. Todo el cambio se realizó siempre en función de la capacidad económica de los mecanizadores para actualizar sus parques de máquinas, que se separaron en dos grupos: las llamadas máquinas ‘convencionales’ y las de control numérico.

Romper la viruta en el torneado fue y es la obsesión, difícil siempre de cumplir, de cualquier mecanizador. Si las máquinas de la década ofrecían rendimientos elevados, incluso retiraban la viruta, era imprescindible que su tamaño fuera manejable. Pero hay otra función vital y a veces poco conocida del denominado como rompevirutas: crear los diversos ángulos de corte en desprendimiento para cada material y también distintos para cada profundidad de corte, los variables avances y la protección del filo.

Un rompevirutas es realmente un conformador de la viruta, su función es no solo romperla sino: consumir la menor potencia posible, evacuar el calor, evitar el deterioro de la superficie de la pieza y prolongar la vida del filo lo máximo posible. Conseguirlo en todas las operaciones de torneado es imposible. Por tanto, se han ido adaptando a tres, cuatro o cinco grupos de materiales y a tres operaciones básicas: desbaste, semi-desbaste/acabado y acabado. Aun así, hay algunos conformadores específicos para materiales uoperaciones particulares, es imposible evitarlo, incluyendo las preparaciones específicas del filo (honing) en otras ocasiones.

En fresado el corte interrumpido facilitó la labor y quedó el problema en un segundo plano, posteriormente ha sido necesario reducir el tamaño también en fresado, pero de ello hablaremos también más adelante.

Es muy difícil que los usuarios conozcan todas las combinaciones posibles y cada vez ha sido más imprescindible recurrir a técnicos de las marcas (si disponen de ellos) para el asesoramiento, algunas marcas crearon departamentos técnicos para facilitar la información mediante libros y guías, o telefónicamente, o presencialmente, y on line en la actualidad. Destacar en el sentido formativo la innovadora calculadora de bolsillo facilitada por Sandvik en 1979, la CoroGuide en 1991 y ya en 1995 la completa guía Coro-Key siempre del fabricante sueco. La mayoría de grandes marcas incluyeron información técnica en sus catálogos en papel o electrónicos más tarde, impartieron e imparten cursos formativos, pero la constante evolución y la extensa amplitud de productos y parámetros no alcanzó, ni en la actualidad alcanza a todos los interesados, por lo que son imprescindibles nuevos métodos de conocimiento. De ello hablaremos más adelante.

Ángulos negativos/positivos para proteger el filo en fresado conducían al arranque de viruta con bastante exigencia de potencia, de rigidez de máquina y en sujeciones. Al tiempo se generaba importante calor en la fresa y en la pieza. Parece atribuible a la presencia creciente del acero inoxidable en componentes industriales, la investigación indispensable de como mecanizarlo. El acero inoxidable desarrollado inicialmente en 1904 por el científico francés Leon Guillet, y en 1909 por el inglés Giesen, no fue hasta 1911 que los alemanes P. Monnartz y W. Borchers dieron a conocer el descubrimiento de la correlación entre el contenido de cromo y su resistencia a la corrosión. El cromo se adhería a la plaquita, no se dejaba ‘arrancar’, debía cortarse. Muy posiblemente fue el fabricante sueco SECO, de un país con experiencia en el desarrollo del inoxidable que desarrolló una geometría positiva/positiva de plaquita y su posicionado, la denominada SEKN que cortaba el material evitando la adhesión del cromo y eludiendo el efecto ‘recrecimiento del filo’ que conduce a la rotura de la plaquita.

Si en inoxidable funcionaba tan bien, se pasó de los 50-70 metros de velocidad de corte con muchos problemas a los 160 metros/min. sin problemas, resultó igualmente excelente en aceros con bajo contenido de carbono alcanzando los 220 metros/min. También en máquinas con poca potencia o sin rigidez funcionaba también bien; entonces en máquinas de Control Numérico ¡funcionó aún mejor! Rápidamente surgió la geometría homologa SEKT, con el mismo principio, pero más gruesa, con agujero para tornillo evitando la cuña/brida de fijación y simplificando el cuerpo. Casi todos los fabricantes se volcaron hacia el fresado positivo en planeado de aceros de todo tipo, incluso aleaciones aeronáuticas. Se había iniciado el corte positivo en fresado.

El salto cualitativo tecnológicamente más importante se produjo en 1991 de la mano de dos ingenieros David Feldman y Amir Satran de Iscar Lld. que les supuso el premio nacional de tecnología del estado de Israel. La idea básica fue: reproducir los ángulos del acero rápido en la plaquita, diferenciando el asiento de la geometría de corte, para ello la cara de incidencia era de ángulo positivo helicoidal y el de desprendimiento también, incluso el grosor de la plaquita era progresivo. Una revolución que ha transformado el fresado hasta hoy.

Este efecto se multiplicó en fresas erizo o de alto rendimiento, además con la adición de todos los labios efectivos, impensable hasta entonces ya que todas hasta entonces eran de corte alterno, ello significó incrementar el avance entre el 50 y el 100%.

Una nueva era había nacido: el corte positivo en fresado de aceros. Iscar fue desarrollando en los noventa del siglo pasado toda una generación de nuevas geometrias positivas que requerian menor potencia, hacían el corte más suave, castigaban menos la mecánica de las máquinas, reducian las vibraciones y generaban menos presión y temperatura. Progresivamente otros fabricantes con prestigio en fresado siguieron la misma tecnologia, Walter y Seco principalmente y desde Japon Mitsubishi y Tungaloy. Después absolutamente todos fueron adoptando el fresado de filos positivados siendo actualmente todo un clásico. El positivado alcanzó incluso a las geometrias tangenciales pensadas desde el inicio para arranque de viruta basicamente en fundición. Las características de solidez y mayor número de dientes de las tangenciales se extendieron al acero y otros materiales a traves del corte heliciodal positivo. Cabe decir que Hertel habia desarrollado un corte positivo tangencial denominado Fix Perfect, no helicoidal, de corte positivo mediante un afilado completo de la plaquita dandole distintos ángulos y que por precio no llegó ha hacerse muy popular, fue un primer intento que se vio superado por plaquitas sinterizadas sin afilado posteror, helicoidales, más económicas y de amplisimas aplicaciones.

El éxito del corte helicoidal se introdujo en multitud de sectores sacando incluso provecho en casos de torneado y taladrado, con un sinfín de tamaños formas que han ido cubriendo la práctica totalidad de las aplicaciones de mecanizado.

En torneado, otra vez Iscar en 1991, con la aportación de la geometría Trigonal WNMG, una geometría no totalmente nueva, pero si renovada en diseño y esta vez sí, normalizada ISO, que supuso el inicio de lo que posteriormente ha sido el criterio básico de mayor aprovechamiento del metal duro. Con ángulos de 80º iguales a las CNMG muy utilizadas hasta entonces y las de mayor consumo, competía con ellas. El circulo inscrito era el mismo en ambas plaquitas, los ángulos también, incluso la cantidad de metal duro muy semejante, pero con una propiedad importantísima: en lugar de 4 filos de corte tenía 6, un 50% más. Este efecto prolongaba la vida de la plaquita o lo que es lo mismo, reducía el coste en plaquitas drásticamente. El inicio fue algo conflictivo porque suponía una menor facturación para los principales fabricantes de CNMG (e incluso se extendió la falsa idea de problemas en la sujeción), pero de forma paulatina se fue extendiendo el uso trigonal en diversos tamaños siendo hoy muy popular. Ciertas marcas incrementaron el precio de las trigonales por encima de la CNMG para no ver mermada su facturación, hecho que aún hoy se produce en menor medida y sin lógica alguna. Como anécdota, hoy en día después de 28 años, exististe aún una inercia a utilizar CNMG y en un solo tamaño, sin mucho criterio, es la muestra de la dificultad para superar inercias.

La crisis de los años 90 hizo que ideas como Trigon calaran en los usuarios y sobretodo en el interés de sus bolsillos. Progresivamente se fue reduciendo el tamaño de algunas plaquitas populares para abaratar costes, se trataba por un lado de utilizar el tamaño adecuado para cada operación, y por otro lado incrementar el número de filos de las mismas para obtener mayor rendimiento de cada gramo de metal duro. Para ello los ingenieros tuvieron que esforzarse en diseños de elevada resistencia y productividad, siendo este un concepto nuevo que se ha convertido en determinante: la productividad.

Simultáneamente un nuevo concepto aportó mejoras de forma casi discreta. Se desarrolló la técnica para un reparto irregular del porcentaje de cobalto. Se consiguió incrementar el porcentaje de cobalto cercano a la periferia de las plaquitas que resultó en un efecto colchón que incrementó la tenacidad de las plaquitas manteniendo la dureza.

Sobre todo, en fresado, el número de filos creció; de 1 a 2, las de 2 a 4, de 3 a 5 ó 6 filos e incluso las de 4 doblaron sus filos hasta 8 si tomamos como ejemplo las Octomill de Seco. Ello supuso menores costes en consumibles, se abarató el coste por filo. Aun así no siempre se incrementa la productividad, es preciso que la nueva herramienta sea susceptible de incrementar la velocidad de corte, o el avance de forma apreciable, o que reduzca los tiempos muertos, porqué lo más importante es la reducción del tiempo de fabricación (que es al precio/hora de la máquina, siempre elevado), y no el de coste de las plaquitas. Hoy en día de media, los consumibles no alcanzan el 3% del coste de fabricación.

Otro reto de los noventa a caballo del nuevo siglo fue la teoría de mecanizar en seco sin refrigeración, lo que obligó a los fabricantes a diseñar calidades y geometrías que soportaran el calor y la resistencia a la abrasión. Para ello se apoyaron en recubrimientos de mayor espesor, básicamente de óxido de aluminio (Al2O3) y filos más reforzados. ¿Qué motivó esta tendencia? En primer lugar, el ahorro en líquidos o emulsiones refrigerantes que en algunas empresas suponía mayor coste que las herramientas consumibles, en segundo lugar eliminar el coste de la retirada y reciclaje de los líquidos una vez usados debido a las exigencias medioambientales cada vez de más difícil evasión y finalmente evitar las alergias frecuentes por la posible inhalación o contacto con las conocidas como ‘taladrinas’. Parecía que, aunque la vida de las plaquitas disminuyera, este sería un problema a traspasar a las marcas para que desarrollaran productos resistentes y el incremento sería mínimo y de costes asumibles.

Desventajas: incremento irregular de la temperatura de las piezas comprometiendo a veces las tolerancias precisas, mayor consumo en plaquitas, incremento de la suciedad por polvos del mecanizado que se acumulaban en guías, piezas móviles de las máquinas y en las propias piezas producidas sobre todo en interiores y que además con el tiempo se mostraron altamente abrasivos. En fundición gris la contaminación ambiental se disparó y se tuvo que disponer de aspiración potente para evacuar parte de la viruta. La tendencia se prolongó algo más de una década de forma irregular pero significativa, especialmente en automoción, en oposición algunos fabricantes de máquinas, principalmente japoneses, incrementaron el caudal y salidas de refrigeración al objeto de proteger la máquina, limpiando de virutas toda el área de trabajo evitando calor elevado en los puntos sensibles de la máquina. En Japón tuvo menor éxito el mecanizado en seco que en Europa.

Resultado: los fabricantes de líquidos refrigerantes proporcionaron nuevos productos analérgicos, de menor coste, con muchísima mayor vida y la concienciación ecológica hizo el resto (o casi lo hizo), pues en buena parte se dejó de verter los refrigerantes en las alcantarillas públicas contaminando. Por otro lado, el control de la administración se fue haciendo más y más efectivo. En la segunda década del siglo XXI estamos en la orilla opuesta.

No debemos olvidar otra propuesta técnica que ha sido de lenta asimilación y que nació en 1976 con éxito cuestionable hasta 1981. Se trataba de cabezas cambiables inicialmente en los portaherramientas de torno, idea de Sandvik Coromant con su producto System Block Tools bajo las siglas BTS. Tuvo alguna incidencia en automoción o en procesos de grandes series. Se trataba de sustituir la cabeza de la herramienta y no la plaquita y realizar el cambio con tranquilidad y sin pérdida importante del tiempo de fabricación. Al mismo tiempo podía cambiarse la geometría sustituyendo la cabeza por otra distinta, con lo que se reducía el tiempo de preparación en los cambios de tipo de pieza y se obtenía flexibilidad, objetivo básico en máquinas de control numérico. Hasta el momento solo existían los soportes de cambio rápido VDI DIN 69880 muy habituales facilitados muchas veces por los propios fabricantes de tornos. En 1990 un nuevo producto también de Sandvik, mucho más preciso, rígido y polivalente lo sustituyó. Al nuevo sistema le denominaron Capto, con una fijación poligonal cónica muy original y como se relataba en la época: de difícil imitación. Otras marcas habían sintonizado con la propuesta, Hertel con un dentado frontal y principalmente Kennametal con si sistema de cabezas KM en competencia con Sandvik, o la propia Tizit con UTS system de Cambio Rápido. Se intuía que el poder de la marca sueca y su excelente diseño podría asegurar un éxito futuro.

Esta vez ISO quiso estar a la altura, empujados por la creciente presión del mecanizado a alta velocidad que necesitaba conos más ligeros y precisos frente a los BT, los ISO DIN 69871ó los similares Caterpilar y que era preciso que asentaran axialmente en el husillo de la máquina. Se normalizó un nuevo sistema, lógicamente sin patente de marca, para herramientas rotativas y su versión para torno denominándolo HSK. Algunas marcas comercializaron rápidamente portaherramientas normalizados HSK, en centros de mecanizado el éxito ha sido importante, muchas máquinas equipan el sistema. En tornos fue relativo, alguna imprecisión en la altura de corte penalizaba la propuesta. Al poco, el fin de la patente de Capto por parte de Sandvik en 2010 produjo que otros fabricantes incorporaron la tecnología, así por ejemplo, Iscar les llama Camfix o Kennametal los denomina PSC. Hoy podemos asegurar que es el cambio rápido de mayor presencia y proyección, sobretodo en máquinas Multitarea.