MATERIALES PARA EL MECANIZADO

Entre los muchos y muy variados aceros se encuentra el grupo de los inoxidables, con más de un 11% en cromo, confiriéndole la resistencia a la oxidación y corrosión requerida en estos casos. Es por ello que los aceros inoxidables se emplean frecuentemente en el sector alimenticio y plantas petroquímicas. El tipo de microestructura del acero determina no sólo las propiedades mecánicas, sino que influye significativamente sobre su resistencia a la fractura/fisuración bajo cargas corrosivas. Los aceros inoxidables pueden clasificarse en diversos grupos en función de su microestructura:

En general su maquinabilidad es inferior a la de los aceros comunes, debido a su mayor resistencia, ductilidad y tendencia al endurecimiento por deformación. Es común que a ellos se refieran los maestros de taller como “pegajosos”, tendencia a producir virutas muy largas, o que generan filo recrecido.

En comparación al mecanizado de aceros al carbón convencionales, la maquinabilidad del acero inoxidable, y en particular la del grupo austenítico, es mucho más complicada/desafiante económica y tecnológicamente.

Los problemas típicos presentes en el torneado de aceros inoxidables son la corta vida de la herramienta, la mala formación de la viruta así como el efecto de endurecimiento por deformación presente en las operaciones de mecanizado.

La cantidad de acero inoxidable empleado actualmente en la industria es significativamente menor que la cantidad de aceros endurecidos o templados. En cambio (según Sandvik), alrededor del 30% de todas las herramientas de torneado fabricadas son empleadas para el mecanizado de aceros inoxidables.

Es por ello que las propiedades de maquinabilidad representan un argumento de marketing esencial para la industria productora del acero inoxidable. El desarrollo de aceros inoxidables con maquinabilidad mejorada, asi como una mejora de los procesos de mecanizado de aceros inoxidables en general, conllevará a un potencial considerable de reducción de costos, en lo que respecta a la producción de componentes, ampliando de este modo el rango de aplicación de estos materiales.

El beneficio obtenido dependerá en gran parte del propio material base, operación de mecanizado, tipo de herramienta y condiciones de corte.

Este artículo se centra básicamente en la implantación de algunos ensayos de maquinabilidad específicos como la ISO 3685, medición de fuerzas de corte y ensayos de parada rápida, necesarios para la profundización sobre los principios básicos del proceso de corte de estos materiales.

Partiendo de un ensayo inicial específico con el que identificar y seleccionar los parámetros de corte de mayor incidencia sobre la vida de la herramienta, se realizan ensayos según norma ISO 3685:1993(E). Pudiendo visualizar de esta forma la evolución de la vida de herramienta frente al volumen de material mecanizado.

La dispersión de valores observada en función de los materiales mecanizados, se debe a la presencia de los diversos aditivos presentes en la propia composición de los aceros, así como de su microestructura. Resulta por ello interesante analizar con mayor profundidad las interacciones existentes entre herramienta y material durante la formación de la viruta. En este sentido, se describen los ensayos de parada rápida y mediciones de fuerzas.

La maquinabilidad correspondiente a estos materiales vendrá definida en función de la evolución de diversas variables como el desgaste de herramienta, fricción entre herramienta y material, calidad superficial, tolerancia geométrica, formación de la viruta, forma de la misma, etc.

Figura 1: selección parámetros de corte de mayor incidencia sobre vida de herramienta.

La Figura 1 presenta el procedimiento seguido en el ensayo específico para la selección de los parámetros de corte con mayor incidencia sobre la vida de la herramienta. Una vez fijados el avance y la profundidad de pasada, tal que no se produzca un consumo excesivo de material, se varía la velocidad de corte. Partiendo de una velocidad inicial de 50 m/min, esta velocidad es incrementada de en intervalos discretos de 25 m/min, hasta un máximo de 650 m/min.

Se emplea una nueva herramienta de corte por cada parámetro analizado, mecanizando en cada caso una misma cantidad de volumen de material de Vw = 125 cm³ (1kg material). Una vez realizado el proceso de torneado se estudia el desgaste de flanco, pudiendo de este modo analizar la evolución de dicho desgaste en función del material mecanizado y de los parámetros empleados.

Una vez sean identificados los parámetros más significativos, inicia el estudio de vida de herramienta según norma ISO 3685, para el torneado de los diversos materiales a analizar. Los resultados obtenidos de estos ensayos permiten visualizar la evolución de la vida de herramienta en función de los parámetros empleados y el volumen de material mecanizado.

El estudio se completa con el análisis de los mecanismos de desgaste y de formación de viruta. Una de los métodos más sencillos de analizar la formación de la viruta o de apreciar indicios del tipo de mecanismo de desgaste generado en el torneado de estos materiales radica en el empleo de ensayos de parada rápida y análisis de fuerzas de corte presentes en la formación de la viruta.

Figura 2: configuración del ensayo de parada rápida

Figura 2 hace referencia al ensayo de parada rápida.

Empleando los mismos parámetros de corte seleccionados como los más significativos, y haciendo uso de una geometría de pieza concreta, se obtienen virutas como la presentada en la Figura 2. Virutas que mediante instrumentos de medición adecuados, como los analizadores EDX, microscopios electrónicos, etc. proporcionan gran cantidad de información acerca de las incidencias generadas durante el proceso de corte.

De forma similar (Figura 3) las fuerzas de corte adquiridas mediante el empleo de los correspondientes aparatos de medida, en nuestro caso de una mesa Kistler, pueden ofrecernos información complementaria a la obtenida mediante los ensayos típicos de vida de herramienta.

El análisis de las fuerzas de corte obtenidas tras el mecanizado de estos materiales, proporciona información directamente relacionada con la evolución del desgaste, potencia consumida por la máquina, calidad superficial y tolerancia geométrica observada, así como de la fricción generada entre herramienta / material, con lo que posibilita un análisis aun más profundo de la propia formación de viruta.

Figura 3: configuración del método de medición de fuerzas

Se presenta esquemáticamente una metodología adecuada empleada para el estudio de la maquinabilidad de cualquier tipo de material, y en particular la de los aceros inoxidables austeníticos.

Haciendo referencia no sólo al habitual ensayo normalizado ISO 3685, sino también a ensayos particulares de vida de herramienta así como mediciones de fuerzas y ensayos de parada rápida.

Los autores querrían aprovechar esta ocasión para agradecer el apoyo incondicional proporcionado por el centro tecnológico alemán IFW de Hannover, sin cuya ayuda este trabajo nunca hubiera podido salir a la luz

[1] M.C.Shaw, “Metal Cutting Principles”, Oxford University, New York 1989

[2] S. Jaspers, “Metal cutting mechanics and material behaviour”, Eindhoven, 1999

[3] H.K. Tönshoff, “Spanen”, Springer-Verlag, Berlin, 2003

[4] O. Berthold, “Prozesssicherheit beim Drehen”, VDI R-2 nr-531, Düsseldorf, 2000