El reto del mecanizado de los álabes

La mayoría de los costos de producción de las turbinas de gas y vapor son los álabes. Sus estructuras geométricamente complejas son las únicas partes de las turbinas con cierto carácter de producción en serie. El aumento del uso de materiales termo-resistentes hace el mecanizado aún más complicado y por lo tanto más caro. Por lo tanto, se requieren soluciones innovadoras de herramientas.

Simulación de la operación de desbaste de un álabe de turbina. Foto: IfP, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau.

El mecanizado de álabes es una ciencia propia en sí mismo. Los mecanizadores solían tener problemas con el software o con la máquina cuando estaban fresando la curvatura deseada, pero el principal dolor de cabeza hoy en día en el material del álabe. Un amplio rango de materiales pueden ser requeridos para equipar una turbina con álabes, y por lo tanto son necesitadas diferentes herramientas y estrategias. Altas temperaturas están presentes en la zona de altas presiones, lo que significa que los materiales termo-resistentes son particularmente demandados. Fundiciones o aleaciones de titanio son también utilizadas en la zona de baja presión. Aquí, no es la temperatura, pero si la fuerza centrífuga la que determina el material; otras diferencias se producen debido al tipo de álabes: La rotación de los álabes del rotor genera un estrés diferente al que tienen los álabes fijos de guiado, que es la razón por la cual cambian los materiales.

Como se ha comentado anteriormente, el gran foco son los álabes de la zona de alta presión. Con el fin de aumentar la eficiencia de sus turbinas, los diseñadores están permitiendo que las temperaturas sean más altas en la entrada. Para los mecanizadores, este desarrollo significa mayores costos de fabricación de álabes y piezas relacionadas. Las temperaturas extremas requieren materiales especiales, álabes de inoxidables ferríticos, martensíticos o austenínicos son normalmente insuficientes, es necesario fabricarlos en aleaciones termo-resistentes con base en níquel. El aumento de la utilización de estos materiales de difícil arranque de viruta, también conlleva un aumento de su tiempo de mecanización. La mejor manera de mantener los costos bajos es utilizar herramientas optimizadas con un máximo rendimiento.

Desbaste de álabe de turbina con placas de cerámica. Foto: IfP, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau.

Walter está trabajando en ello, con el desarrollo de herramientas para la producción de energía que tiene una larga tradición en Tübingen. “La producción de energía ha sido una de las industrias principales en la que nos hemos enfocado durante décadas”, en palabras de Andreas Elenz, responsable de Desarrollo de Negocio en esta área de Walter, proveedor de servicio completo para todos los componentes clave, que por lo tanto incluye los álabes. “Esto significa que nosotros suministramos todas las herramientas (y en el mecanizado de álabes esto significa un buen número), desde los platos de fresado de desbaste para el máximo volumen de viruta a fresas de metal duro integral para el acabado tradicional de los menores radios”.

Desbaste de la zona de unión del álabe con placas cerámicas. Foto: IfP, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau.

Mientras que algunos álabes de baja presión son forjados o fundidos, la mayoría de los álabes (particularmente los de media y alta presión) se crean fresando desde un bloque sólido en máquinas especiales con ejes altamente dinámicos. Entre el 60 y el 85% de los álabes son mecanizados de esta forma. Thomas Schaarschmidt, líder del equipo de Desarrollo de Negocios Energéticos y responsable de la tecnología de mecanizado de los álabes, explica que “los platos de fresado preferidos para el desbaste son inicialmente platos de copiado con placas redondas como nuestro plato F2334R, que ha sido optimizado para el mecanizado de álabes”. La R es sinónimo de diseño reforzado. Una característica principal de este plato es su alto nivel de estabilidad y por lo tanto la fiabilidad de proceso, y el hecho de que es compatible con el mecanizado en 5 ejes. ”Estas herramientas”, continua Schaarschmidt, “se hacen cargo del 70-80 de todo el proceso de mecanizado, por lo tanto es en esta aplicación dónde se produce el mayor arranque de viruta”. Simultáneamente el fresado con cinco ejes es ahora la norma, esto significa que la mejor geometría en relación con las fuerzas de corte puede ser establecida en cualquier dirección; también es posible acercarse al contorno de acabado con las herramientas de desbaste. El F2334R puede ser equipado con los últimos materiales de corte. Walter ha desarrollado el grado PVD W3536 con óxido de aluminio especialmente desarrollado para el mecanizado de álabes. El ratio dureza/tenacidad está entre los grados estándares ya conocidos, WSM35 y WSP45. Otras herramientas son de placas intercambiables como las fresas de escuadrar o fresas enterizas de acabado de metal duro, por ejemplo las ranuras exteriores.

Cuando el álabe ha sido desbastado totalmente, el semi-acabado de los álabes es normalmente el siguiente paso. Una herramienta típica de semi-acabado es el plato de escuadrar F4042R o el nuevo plato tangencial de escuadrado Blaxx F5041, ambos tipos de platos tienen la capacidad de dejar una superficie ideal para el acabado fino. Fresas de bola con placas intercambiables como la F2139 o fresas de metal duro integral de bola o cónicas entonces se hacen cargo del mecanizado de los radios de transición. Estas últimas están actualmente todavía consideradas herramientas especiales.

Walter suministra el plato F2334 de placa redonda en una versión con diseño reforzado como el F2334R. La herramienta ha sido optimizada para el mecanizado de álabes de turbina y está disponible con diferentes sistemas de adaptación.Foto: Walter AG.

Los árboles extremos de los álabes (zonas de unión posteriores) por lo general es una tarea de fresas con placas intercambiables con varios filos de corte. Dado que se requieren buenas superficies de acabado en esta etapa de mecanizado, los mecanizadores cambian los filos de corte de las placas intercambiables apenas aparezca un pequeño desgaste en ellas. Las herramientas ideales para estas aplicaciones son las placas octogonales por ejemplo.

El acabado de los álabes de turbina es un proceso extremadamente importante. El tipo de acabado y la curvatura del álabe determinan el tipo de flujo y por lo tanto la eficiencia de la turbina. “Dos conceptos de herramienta para esto están disponibles en Walter”, explica Thomas Schaarschmidt. ”Fresado con fresas convencionales integrales de metal duro o con nuestro nuevo sistema modular ConeFit™ de cabezas intercambiables de metal duro. Usamos herramientas estándares o especiales dependiendo de la aplicación”. Las herramientas especiales tienen un gran número de dientes, por ejemplo 10 dientes en un diámetro de 16 mm. Esto significa que un extremo avance lineal y una buena eficiencia económica son conseguidos.

El plato octagonal de Walter que ha sido especialmente desarrollado para el acabado de las zonas rómbicas de unión de los álabes de turbine debido a su gran número de filos de corte. Foto: Walter AG.

Walter colabora estrechamente con el Instituto de Ingeniería de Producción (IfP) en la Universidad de Ciencias Aplicadas en Zwickau (Sajonia Occidental) en el desarrollo de herramientas y estrategias adecuadas para el mecanizado de este tipo de materiales. El mecanizado de los álabes de turbinas es una de las competencias de este Instituto. En el 2002/2003, el IfP llevó a cabo el primer estudio sistemático de la aleación con base en níquel Waspaloy. El resultado: El mecanizado con herramientas de metal duro disponibles en aquel momento era 12 veces más lento y caro que el mecanizado de turbinas de aceros. El desarrollo del metal duro ha sido grande. La última investigación que ha llevado a cabo el IfP con la aleación en base de níquel Nimonic 80A y con los últimos metales duros disponibles han confirmado que el factor original de 12 de costos adicionales ha sido reducido a 5. Incluso puede ser posible reducir este factor en un futuro próximo. Actualmente los especialistas de Zwickau están llevando a cabo investigaciones sobre el mecanizado criogénico. Los platos de fresar se refrigeran con dióxido de carbono en este tipo de mecanizado. Estos desarrollos, en los que IfP y Walter están trabajando codo con codo, no están aún terminados.

Los especialistas en álabes desvelan otra cosa más: solo la cerámica como material de corte ha alcanzado el máximo rendimiento en el mecanizado de aleaciones termo-resistentes más frecuentes. IfP declara que tres veces más de tiempo se necesita para el mecanizado de las turbinas convencionales de acero. La cerámica es un componente en un concepto global. Platos con placas intercambiables de cerámica se hacen cargo del desbaste, del semi-acabado y del acabado se hacen cargo herramientas intercambiables o herramientas enterizas de metal duro. Con el estado actual de la tecnología, la cerámica es sólo adecuada para las operaciones de desbaste. Herramientas para otras aplicaciones ya están en desarrollo. Estos desarrollos incluyen herramientas enterizas de cerámica. “Será posible una significante reducción del tiempo de mecanizado cuando estas herramientas de cerámica para el semi-acabado y el acabado estén listas”, predice Lucas Günther, asistente de investigación en el IfP. Sin embargo, este desarrollo es totalmente dependiente de los fabricantes de turbinas. La extensión de la cerámica a estas aplicaciones depende de la cantidad de calor que se introduzca en el material. Si se producen temperaturas excesivas, ellas cambiarán la composición estructural de una forma no permitida. Los requisitos del fabricante y las posibilidades desde el punto de vista del mecanizado son inicialmente dos variables no definidas.

Walter suministra platos especiales para placas redondas de cerámica. Foto: Walter AG.

Volviendo a lo que es actualmente factible. El alto rendimiento de corte de la cerámica se basa en las características especiales del material de corte. Esto incluye dureza extremadamente alta hasta 3.000 HV₁₀ (metal duro: hasta un máximo de 2.500 HV₁₀), alta Resistencia a la temperatura de 1.100 °C (metal duro: máximo 1.000 °C), un bajo coeficiente de fricción y una baja adherencia al desgaste. Sin embargo, estas propiedades beneficiosas sólo se pueden utilizar si se cumplen varias condiciones. Todo depende de la buena estabilidad de la pieza y del bajo voladizo de la herramienta. La máquina tiene que estar diseñada para trabajar a unas revoluciones entre 15.000 a 30.000 rpm con el fin de ser capaz de utilizar las estrategias pertinentes con altas velocidades de corte. También tiene que estar equipada con un sistema de extracción con guías encapsuladas para las partículas de cerámica que se producen durante el mecanizado.

El sistema modular de fresas enterizas de metal duro ConeFit de Walter proporciona un alto grado de flexibilidad y por lo tanto es frecuentemente usado en el mecanizado de álabes. Foto: Walter AG.

Andreas Elenz, director del departamento de Desarrollo de Negocio de Walter en Tübingen, está comprometido a una tradición: "La producción de energía ha sido una de las industrias principales en la que nos hemos enfocado durante décadas”. Foto: Walter AG.

Mientras tanto, IfP ha probado ambos grados para optimizar los platos de fresar y para desarrollar las mejores estrategias de mecanizado. De acuerdo con Walter, los parámetros de corte más adecuados para el grado Sialon WIS10 son de v_c = 1.000 m/min y de f_z = 0,1 a 0,4 mm/rpm y una pasada de a_p = 1 a 2 mm. “Es extremadamente importante determinar que parámetros de corte y que estrategias de mecanizado son adecuados para cada material”, explica Thomas Schaarschmidt, ”por lo tanto, nuestros clientes siempre reciben un paquete completo que consiste en herramientas y en conocimientos técnicos”. Además de las estrategias, el diseño del plato de fresar es otra forma de ajuste del rendimiento, continúa el experto. Walter dice que ha traído toda su experiencia en fresado aquí. Por ejemplo, un detalle importante es el amarre de las placas intercambiables. Schaarschmidt estima que el 30% del rendimiento de un plato con placas de cerámica está en la optimización del cuerpo de la fresa.

Thomas Schaarschmidt, líder del equipo de Desarrollo de Negocios Energéticos y responsable de la tecnología del mecanizado de álabes en Walter: “Los clientes reciben un paquete completo de herramientas y know-how”. Foto: Walter AG.

La investigación interdisciplinaria de mecanizado

El Instituto de Tecnología de la Producción (IfP) en la Universidad de ciencias aplicadas de Zwickau, Sajonia Occidental, El departamento de Ingeniería Mecánica y Automoción, dirige un laboratorio de tecnología de última generación para “desarrollo de mecanizado interdisciplinado para la solución de problemas complejos en la tecnología de producción” bajo el liderazgo del Doctor y profesor Michael Schneeweiß. Las competencias básicas del Instituto incluyen el mecanizado de álabes de turbina, asociar pruebas para el desarrollo de herramientas y materiales de corte, cálculos de mecanizados ultrasónicos, de fuerzas y de rendimientos para los procesos de mecanizado. El alcance de los servicios también incluye la optimización del mecanizado sobre la base del análisis general de los procesos, el desarrollo de nuevas tecnologías de mecanizado y el mecanizado de materiales de difícil arranque de viruta, incluyendo nuevas cerámicas y materiales abrasivos. Varios centros de mecanizado CNC y una amplia gama de materiales para mecanizar y de equipos de calidad están disponibles. La mayoría de los proyectos de investigación hacen frente a tareas de la industria aeroespacial, a las industrias de herramientas de corte y a los fabricantes de maquinaria.

Diagrama de tiempo de mecanizado. Durante la fabricación de álabes de turbina hechas de aleación a base de níquel Nimonic 80ª, el tiempo de mecanizado aumenta significativamente en comparación con los aceros convencionales de turbina: Se incrementa a un factor 5 si se utilizan las modernas placas indexables. El coste adicional es menor, ej: un factor 3 si se utilizan desbaste de fresas con plaquitas de cerámica. Foto: IfP, Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau.