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Se requiere una gran eficacia para el mecanizado de superaleaciones

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Las superaleaciones, aleaciones metálicas que reflejan su compleja estructura de aleación, se han convertido desde hace tiempo en uno de los principales materiales de ingeniería. Se caracterizan por una resistencia extremadamente alta a temperaturas elevadas, por lo que a menudo se denominan superaleaciones de alta temperatura (HTSA) o superaleaciones resistentes al calor (HRSA).

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La historia de las superaleaciones comenzó con el desarrollo de los motores de turbina de gas, que requerían materiales fiables para rangos de temperatura de funcionamiento elevados. Como resultado de una intensa investigación y de los avances en la metalurgia, las superaleaciones modernas (SA) proporcionan una larga vida útil para temperaturas de trabajo superiores a 1000°C.

Como es lógico, los mayores consumidores de superaleaciones en la actualidad son los fabricantes de motores aéreos y marinos (Fig. 1). Las superaleaciones también son muy comunes en la industria médica, que las utiliza efectivamente para los implantes de prótesis en la cirugía ortopédica. Además, las superaleaciones se han generalizado en la generación de energía y en las industrias del petróleo y el gas como materiales cruciales para las piezas esenciales de diversos dispositivos.

La excepcional resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión son las innegables ventajas de las superaleaciones. Sin embargo, la moneda tiene dos caras: las superaleaciones no sólo tienen un precio elevado, sino que su maquinabilidad es escasa, lo que puede plantear problemas de fabricación. La fuerza de corte específica, que caracteriza la resistencia del material al arranque de virutas y define la carga mecánica de una herramienta de corte, es elevada para las superaleaciones. Aunque la principal dificultad es el calor, las superaleaciones tienen una escasa conductividad térmica. Las virutas elementales y sueltas, que generalmente se generan al mecanizar superaleaciones, no proporcionan una disipación adecuada del calor de la zona de corte. La tendencia al endurecimiento por trabajo empeora la situación.

El fabricante trabaja con varias piezas de trabajo de SA: fundidas, forjadas, sinterizadas, etc. Los métodos de fabricación de la pieza también influyen en la maquinabilidad. Por ejemplo, la abrasividad de las piezas forjadas es mayor que la de las fundidas, pero es mucho menor que la de las piezas sinterizadas.

En consecuencia, la herramienta de corte está sometida a una importante carga térmica y mecánica, lo que reduce drásticamente su vida útil. Por lo tanto, en el mecanizado de las superaleaciones, la velocidad de corte directamente relacionada con la generación de calor durante el arranque de virutas es considerablemente menor en comparación con otros materiales de ingeniería habituales, como el acero o la fundición. El resultado directo de la limitación de la velocidad de corte es una baja productividad. Por lo tanto, superar las dificultades de mecanizado y aumentar la productividad son los principales retos para el fabricante de piezas SA.

De acuerdo con la norma ISO 513, las superaleaciones, junto con las aleaciones de titanio, se relacionan con la aplicación del grupo ISO S. En función del elemento predominante, las superaleaciones se dividen en tres tipos: aleaciones basadas en hierro (Fe), níquel (Ni) y cobalto (Co). La maquinabilidad desciende en el orden especificado; desde las aleaciones con base de hierro, que pueden compararse con el acero inoxidable austenítico, hasta las aleaciones con base de cobalto que representan los materiales más difíciles de cortar del grupo.

El aumento de la eficacia del mecanizado de las superaleaciones se ha convertido en el centro de diversas investigaciones científicas y mejoras tecnológicas. Su resultado ha sido un avance significativo en la producción de componentes de SA. La fabricación ha adoptado eficazmente nuevas estrategias de mecanizado y se han introducido con éxito métodos innovadores de suministro de refrigerante de corte, como la refrigeración de alta presión (HPC), la lubricación de cantidad mínima (MQL) e incluso la refrigeración criogénica. Esto ha llevado la productividad del mecanizado de superaleaciones a un nuevo nivel. Sin embargo, al igual que en el caso de las aleaciones de titanio, el elemento clave para mejorar la productividad del mecanizado de las SA es una herramienta de corte que elimina directamente las capas de material de una pieza que produce virutas. Una herramienta de corte presenta el material de la herramienta y su geometría, lo que determina el triunfo de la herramienta o su fracaso.

Hoy en día, los carburos cementados recubiertos son los materiales más comunes de las herramientas de corte para el mecanizado de superaleaciones. El desarrollo de un grado de carburo en el que la fuerza y la resistencia al desgaste se complementen mutuamente es un proceso complicado que requiere un sustrato de carburo, una composición de recubrimiento y un método de recubrimiento adecuados. Para asombro de quienes creen que las posibilidades de avance en este sentido están casi agotadas, los fabricantes de herramientas de corte siguen creando nuevas calidades de metal duro eficaces. Además, en el mecanizado de superaleaciones, la cerámica -otro material para herramientas que permite aumentar sustancialmente la velocidad de corte- ya se utiliza activamente.

Si los materiales de las herramientas están relacionados sobre todo con la ciencia de los materiales y la metalurgia, la geometría de corte está más en el campo del diseño de las herramientas. Garantizar una geometría de alto rendimiento requiere profundos conocimientos de ingeniería y habilidades tecnológicas. Por un lado, para minimizar la generación de calor y el endurecimiento por deformación, se necesita un ángulo de desprendimiento positivo, un ángulo de separación suficientemente grande y un filo de corte afilado. Por otro lado, esta forma debilita el filo de corte que debe soportar una carga mecánica considerable. Por lo tanto, el correcto diseño del filo de corte se convierte en un factor crítico de éxito. Las plaquitas de metal duro sinterizadas tienen la ventaja de permitir formas complejas de formación y rotura de virutas para las caras de rastrillo de las plaquitas. En la actualidad, el modelado por ordenador de los procesos de formación y prensado de virutas mediante métodos de elementos finitos proporciona una herramienta eficaz para optimizar las formas que ya se encuentran en la fase de diseño. En las fresas macizas, un diseño de paso variable permite mejorar la resistencia a las vibraciones. Los bordes de corte de estos fresas se producen mediante operaciones de rectificado, y para eliminar las escamas y los defectos de los bordes, es muy importante cumplir estrictamente los requisitos del proceso tecnológico.

Los fabricantes de herramientas de corte prestan mucha atención a la mejora de sus carteras de productos destinados al mecanizado de superaleaciones. Las novedades de ISCAR pueden ser excelentes ejemplos indicativos.

El grado de metal duro IC806, que se había introducido en los últimos años para el ranurado frontal de superaleaciones y acero inoxidable austenítico, fue adoptado con éxito por las líneas de roscado y taladrado profundo de ISCAR. Este grado tiene un sustrato submicrónico duro y un recubrimiento de PVD TiAlN/AlTiN con tratamiento posterior al recubrimiento según la tecnología SUMO TEC de ISCAR. El IC806 proporciona una notable resistencia a la descamación y al astillado y mantiene unos resultados fiables y repetibles.

En el mecanizado de superaleaciones mediante fresas de metal duro y cabezales intercambiables, la calidad IC902, que combina un sustrato de grano ultrafino y un recubrimiento PVD TiAlN de nanocapas, garantiza una resistencia al desgaste extremadamente alta y prolonga la vida útil de la herramienta. Este grado ha demostrado muy buenos resultados en la producción de dispositivos para prótesis de rodilla y cadera que se fabrican con aleaciones de cobalto-cromo difíciles de cortar (Fig. 2).

ISCAR ha ampliado significativamente la gama de productos para aplicaciones ISO S fabricados con diversas cerámicas de corte, como el nitruro de silicio, el SiAlON y los grados reforzados con bigote. Los artículos cerámicos recién introducidos han sustituido tanto a las plaquitas indexables como a las fresas macizas (Fig. 3).

Los últimos diseños de cara de desprendimiento F3M y F3P para plaquitas de torneado estándar ISO están pensados específicamente para aceros inoxidables austeníticos y superaleaciones difíciles de mecanizar (Fig. 4). Su geometría de ángulo de desprendimiento positivo reduce la fuerza de corte y garantiza una acción de corte suave, mientras que el conjunto de deflectores en la cara de desprendimiento mejora el control de la viruta.

En las plaquitas cerámicas de doble cara para herramientas de torneado y fresado, ISCAR ha añadido nuevas opciones de filo de corte biselado y combinado (biselado y redondeado) para aplicaciones difíciles.

ISCAR ha enriquecido la gama de soluciones destinadas a la refrigeración por alta presión con nuevos cuerpos de fresa y portaherramientas indexables. Por ejemplo, los portaherramientas de contracción térmica con vástagos cónicos poligonales, que cuentan con canales de chorro de refrigerante a lo largo del agujero central, han sido completados por la línea de productos de portaherramientas.

En conclusión, la necesidad de aumentar la productividad en el mecanizado de HTSA es un reto continuo para los fabricantes de herramientas de corte, y es probable que se produzcan nuevos desarrollos de herramientas eficaces en un futuro próximo.

Para más información, visite el sitio web: www.iscar.in

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