¿Qué son los metales exóticos, por qué son tan raros y cómo se maquinan? Para entender este tema, vamos a comenzar por definirlo.

Los principales materiales de ingeniería son aleaciones a base de hierro, como el acero, el acero inoxidable y la fundición. Otro grupo de materiales utilizados comúnmente incluye las aleaciones con base en metales no ferrosos, como las aleaciones de aluminio, latón y bronce.

Además, existen tipos de materiales exóticos desarrollados en respuesta a requerimientos específicas. Estos materiales exóticos cuentan con aplicaciones dedicadas; son inusuales y no se utilizan comúnmente. Su fabricación generalmente implica costos más elevados.

No existe una definición estricta de lo que es un material exótico. Muchos expertos se refieren a ellos como metales como el berilio, el circonio, etc. y sus aleaciones, así como cerámicas, compuestos y superaleaciones. Al considerar el uso de materiales estructurales, las superaleaciones y los compuestos deben distinguirse en primer lugar. La industria metalmecánica trabaja con este tipo de materiales debido a diversas razones. El maquinado de los materiales exóticos es problemático. Las superaleaciones, o más específicamente, las superaleaciones termorresistentes (HTSA), están diseñadas para operar bajo cargas mecánicas pesadas, en combinación con altas temperaturas. Se utilizan principalmente en turbinas de gas y en diversas válvulas y equipos para la industria petroquímica. Lo "exótico" de las superaleaciones es su diseño metalúrgico, que proporciona una alta resistencia al deslizamiento plástico para mantener la resistencia a altas temperaturas. Según el componente principal, estas superaleaciones se puede dividir en tres grupos: Superaleaciones de base níquel (Ni), cobalto (Co) y hierro (Fe). La composición química de estas superaleaciones, especialmente en los casos de las superaleaciones termorresistentes de base Ni y Co, da como resultado una maquinabilidad pobre.

Los compuestos son materiales multicomponentes. Cuando se les compara con materiales de ingeniería tradicionales, como el acero o el aluminio, las piezas de materiales compuestos cuentan con un conformado próximo a la forma final y no requieren una remoción significativa de material. Sin embargo, los componentes de materiales compuestos tienen propiedades diferentes, y cuando se combinan, producen una estructura heterogénea que dificulta el maquinado. El proceso de maquinado de materiales compuestos difiere del maquinado de metales y, a menudo, pareciera más que se destrozan, y no que se cortan. La alta abrasividad de los materiales compuestos puede provocar un desgaste intensivo de la herramienta, así como diversos problemas de desempeño, como la pérdida de precisión o defectos de maquinado irreparables.

La industria metalmecánica ha logrado importantes avances en el maquinado de materiales exóticos. Las máquina-herramienta avanzadas y las estrategias de maquinado efectivas han llevado el desempeño de las operaciones de maquinado a un plano totalmente nuevo. La impresión 3D ha avanzado rápidamente, y parece muy prometedora. Ello podría disminuir significativamente las operaciones de maquinado. Pero hay una "excepción", que todavía limita el aprovechamiento completo del importante incremento de las capacidades de las máquinas-herramienta. Esta "excepción" es la herramienta de corte. A pesar del notable progreso, las herramientas de corte siguen representando un cuello de botella para la eficiencia del maquinado. Por tanto, los planes para cualquier avance importante en el maquinado productivo de materiales exóticos tienen mucho que ver con las herramientas de corte.

Los fabricantes de herramientas de corte trabajan constantemente en encontrar soluciones productivas y confiables para el maquinado de estos materiales. Puede parecer, a veces, que las fuentes tradicionales no pueden ofrecer un gran avance, que un paso importante solo puede provenir de un desarrollo enteramente nuevo. Aun así, los fabricantes de herramientas de corte logran seguir ofreciendo productos interesantes que combinan los medios y recursos disponibles con nuevas ideas. Los desarrollos que ISCAR ha introducido al mercado en años recientes son un buen ejemplo de estos productos y del trabajo de ISCAR para resolver el cuello de botella existente, creando nuevos avances.


Materiales exóticos para maquinar materiales exóticos: las ventajas de los cerámicos
El carburo cementado sigue siendo el principal material de corte para el maquinado. La introducción de las herramientas de carburo revolucionó la industria metalmecánica, asegurando un incremento significativo de la productividad, gracias a las velocidades de corte considerablemente mayores. A pesar de ello, incluso el día de hoy las velocidades de corte son bajas para el maquinado de superaleaciones termorresistentes (HTSA) de base Ni y Co, difíciles de maquinar: típicamente dentro del rango de 25-50 m/min (80-160 sfm). ¿Cómo podemos incrementar los límites de velocidad?

Ya empiezan a utilizarse materiales cerámicos exóticos como materiales de corte. El uso de materiales cerámicos exóticos asegura un nivel totalmente nuevo de velocidades de corte. Por ejemplo, es perfectamente posible maquinar superaleaciones con herramientas cerámicas a velocidades de corte de 1000 m/min (3300 pie/min). Es por ello que las herramientas cerámicas son cada vez más comunes en el mecanizado superaleaciones termorresistentes.

Recientemente, ISCAR desarrolló una familia de portafresas intercambiables que utilizan insertos cerámicos de doble cara (Fig. 1). Los cortadores se diseñaron principalmente para al fresado/desbaste y semiacabado de planos y superficies 3D a velocidades de corte extremadamente altas. El diseño económico del inserto de doble cara permite una alta utilización de los materiales cerámicos. Los insertos se construyen en diversos grados de cerámica, como cerámica "negra", cerámica reforzada con fibras (whiskers) y SiAlON (un tipo de cerámica con base de nitruro de silicio). Los nuevos cortadores están dirigidos a maximizar la tasa de remoción de metal (MRR) y reducir importantemente los tiempos-ciclo.

Otro de los más recientes productos de ISCAR es un buen ejemplo del uso exitoso del corte con cerámicos: la familia de cortadores verticales sólidos grado SiAlON. Los cortadores verticales se diseñaron específicamente para el maquinado/desbaste productivo de superaleaciones de base Ni, como varios grados de Inconel, Incoloy, Haynes, etc. para la industria aeroespacial. En comparación con los típicos cortadores verticales de carburo sólido, los cortadores verticales de SiAlON permiten un incremento de la velocidad de corte de hasta 50 veces.

Cabe señalar que las herramientas de cerámica se comportan de manera diferente a las herramientas de carburo. En general, el final de la vida útil de la herramienta es determinado por el acabado superficial de nivel aceptable o las rebabas generadas y no por el tamaño de desgaste de la herramienta.

Diamante de corte
Al fabricar piezas a partir de materiales compuestos, el barrenado se considera en general la principal operación de corte. Mejorar las capacidades de las herramientas de barrenado ha tenido un impacto directo en la efectividad del maquinado de materiales compuestos y compuestos agrupados.

Muy recientemente, ISCAR lanzó al mercado una serie de nuevas brocas enterizas, en una gama de diámetros de 3.3-12 mm (.130-.500"), especialmente diseñadas para materiales compuestos (Fig. 2). La característica común de estas herramientas es el uso de diamante policristalino (PCD) o recubrimiento de diamante, para garantizar una alta resistencia al desgaste por abrasión. Hay varios tipos de nuevas brocas disponibles; uno de ellos utiliza una punta de PCD como el punto central de un taladro, y otro tipo cuenta con una delgada capa de diamante. Ambos tipos de brocas ofrecen una gran área para reafilados múltiples.

El tercer tipo de brocas son herramientas de carburo sólido con un área de corte recubierta de diamante. Su filo ondulado reduce la formación de rebaba, específicamente al barrenar plástico reforzado con fibras de carbono (CFRP) y CFRP-Aluminio agrupado.

Soluciones en refrigerante
El suministro eficaz de refrigerante es la piedra angular del éxito para el maquinado de superaleaciones exóticas. El refrigerante a alta presión (HPC) puede ser una herramienta importante para mejorar el desempeño de corte. Es una fuente real de mayor vida útil de la herramienta, mejor control de viruta y mayor productividad.

Uno de los últimos desarrollos de ISCAR es una familia de herramientas de torneado con insertos intercambiables tipo ISO (Fig. 3). El diseño de la herramienta utiliza una brida superior para asegurar los insertos de manera confiable, incluso en operaciones de corte pesado o corte interrumpido. Las anteriores herramientas de torneado, con opción de enfriamiento de jet de alta presión, tenían anteriormente un mecanismo de sujeción de palanca, ya que una brida superior impediría que el chorro de refrigerante llegara al filo de corte.

Las herramientas de nuevo desarrollo integran una brida superior hueca que permite resolver dos problemas:
- Fuerte y rígida sujeción de insertos
- Eliminación de cualquier obstáculo entre el jet de refrigerante y el filo de corte

Así, la brida, que en las nuevas herramientas funciona también como boquilla de refrigerante, cuenta con una característica funcional importante adicional.

Los nuevos productos con suministro de refrigerante a través de la herramienta son beneficiosos no solo en el maquinado con refrigerante a alta presión. Ofrecen también un mejor desempeño cuando se aplican al torneado con enfriamiento convencional externo de "baja presión" (10-15 bares).

En el tronzado y ranurado, y especialmente en el ranurado profundo, la conformación eficiente de viruta tiene una importancia crucial. El enfriamiento de precisión del filo de corte, a alta presión, disminuye significativamente el atasco de viruta y reduce el recrecimiento de filo. Durante el último año, ISCAR expandió su gama de productos con refrigerante a alta presión, presentando nuevas herramientas para ranurado frontal con opción HPC (Fig. 4). Estas herramientas son adecuadas para una presión de refrigerante de hasta 140 bares.

La innovación en geometrías nunca se detiene
Para mejorar la geometría de corte, se han explorado muchas posibles soluciones. Existe una variedad de nuevas soluciones que han actualizado los insertos intercambiables existentes. Normalmente, estas soluciones tienen que ver con la conformación avanzada de viruta, filos de corte reforzados y la preparación de filos progresiva.

El nuevo conformador de viruta F3S de ISCAR para torneado de acabado de superaleaciones exóticas (Fig. 5) se diseñó para los populares insertos tipo ISO (CNMG, WNMG, etc.). Las operaciones típicas de acabado se caracterizan por su profundidad de corte y avances reducidos. Por lo tanto, el éxito de un conformador de viruta está en la pequeña área adyacente al filo de corte del inserto. Rediseñar esta área para obtener un mucho mejor desempeño, a comparación de los insertos existentes, ha requerido gran "know-how" de ingeniería y mucho trabajo.

El F3F es un buen ejemplo de cómo hacer esto. Cuenta con un filo de corte reforzado para evitar el amuescamiento, así como un deflector especialmente diseñado para un control de viruta eficiente en el torneado de acabado de superaleaciones termorresistentes (HTSA). En combinación con un ángulo de desprendimiento positivo, estas características ofrecen un corte suave y fácil, gran capacidad de formación de viruta y una reducción significativa de las fuerzas de corte.

El maquinado de materiales exóticos presenta diversos desafíos a los fabricantes de herramientas. Para desarrollar una herramienta de corte que logre un avance importante, los fabricantes de herramientas intentan de todo. A veces sus soluciones son realmente "exóticas", y otras veces el pensamiento innovador permite avanzar en las direcciones tradicionales. En el caso de ISCAR, seguimos trabajando para ofrecer buenas respuestas a las necesidades de la industria metalmecánica y para el maquinado de materiales exóticos. Esta búsqueda nunca se detiene.

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