Análisis del desgaste de herramientas PCBN

Clasificado muy cerca del diamante en la escala de dureza, el nitruro policristalino cúbico de boro (PCBN) ha probado ser un material muy durable para herramientas en el corte de metales difíciles de mecanizar, como los de altas temperaturas y las aleaciones ferrosas endurecidas. Pero incluso los insertos diseñados específicamente para resistir el desgaste pueden sufrir fallas prematuras cuando no se usan de manera apropiada.

El uso de herramientas de PCBN ha cambiado ostensiblemente desde su introducción en los setenta. Para satisfacer las exigencias de hierros fundidos, aceros endurecidos, polvos de metales y otras piezas, se encuentran disponibles varios grados de insertos de PCBN. En el mecanizado de hierros fundidos, las herramientas de PCBN facilitan a los fabricantes utilizar velocidades de corte sustancialmente más altas. Para aceros endurecidos, las herramientas de PCBN les permiten a más talleres convertir las operaciones convencionales de rectificado, en procesos de corte.

Con el fin de obtener el máximo de estas herramientas, es necesario evaluar el proceso global. Analizando el desgaste y la falla de herramientas usted puede encontrar importantes indicios que le ayuden a establecer los parámetros propios de operación.

Mecanismos de desgaste
Cuando las herramientas de PCBN mecanizan materiales ferrosos pueden ocurrir varias interacciones entre la herramienta y la pieza de trabajo. Los siguientes tipos de desgaste de herramientas son dominantes, según la aplicación de mecanizado y la composición del material que se trabaje:

Desgaste abrasivo. Causado por la acción de virutas deslizantes en la zona de corte, lo mismo que por la fricción generada entre el flanco de la herramienta y la pieza de trabajo. Este desgaste aumenta por la dureza de la pieza y las propiedades de resistencia, que también determinan las velocidades apropiadas de mecanizado.

Desgaste químico. Producido por la reacción entre el material de la herramienta y el de la pieza de trabajo. A causa de su propensión a acelerar el desgaste químico, algunos materiales no resultan apropiados para ser mecanizados con PCBN (incluidos el hierro dúctil, el titanio y los aceros blandos).

Desgaste térmico. Se refiere al rompimiento del filo de corte de la herramienta causado por los ciclos de temperatura entre estados de calentamiento y enfriamiento del proceso de mecanizado.

Desgaste por impacto. Es el rompimiento del filo de corte de la herramienta que ocurre cuando las cargas mecánicas exceden las propiedades físicas del material de la herramienta.

Desgaste abrasivo
El único tipo de desgaste de una herramienta de PCBN que un taller está dispuesto a aceptar es el desgaste abrasivo ordinario. Aunque ocurren algunas reacciones químicas limitadas entre muchos de los materiales de las piezas de trabajo y las herramientas de PCBN, si el desgaste de la herramienta está restringido primariamente a la abrasión normal, la vida de la herramienta puede calcularse con exactitud. Las herramientas de la figura 1 fueron usadas para mecanizar hierro gris y acero endurecido. Estas herramientas muestran el tipo de desgaste uniforme que hace posible la predicción de las tasas de consumo.

Cuando se mecanizan aceros endurecidos, el desgaste abrasivo frecuentemente se combina con reacciones químicas entre los materiales de la herramienta y la pieza de trabajo. Las virutas deslizantes en la zona de contacto de la herramienta crean fricción y calentamiento que producen una condición de cráteres superiores (figura 1-B).

Aunque el desgaste abrasivo puede aumentar por otros factores, la velocidad de corte y la composición de la pieza de trabajo son críticas. La figura 2 ilustra el efecto de la velocidad de corte en el desempeño de la herramienta cuando se mecaniza acero aleado. Los resultados muestran que una tasa óptima de remoción de material corresponde a una velocidad de corte específica. Velocidades superiores de corte, que podrían producir mayores tasas de remoción, producen excesivo desgaste de los flancos y cráteres del filo. Como se muestra en el gráfico, las velocidades óptimas de corte están dentro del rango de 120-150 m/min, pero a velocidades más altas el rendimiento disminuye de manera considerable.

Dependiendo de la dureza, el contenido de aleantes, las fases de carburo y otros factores, el mecanizado de piezas de otros materiales puede modificar drásticamente esta curva. Con materiales más difíciles de mecanizar, la curva de optimización de velocidad se corre hacia la izquierda y las velocidades recomendadas disminuyen. Por ejemplo, los aceros para troqueles que contienen cromo y vanadio aceleran el desgaste de las herramientas de PCBN, limitando la velocidad. Aunque el desgaste de la herramienta puede ser sustancial cuando se mecanizan materiales difíciles como el acero D2, este desgaste extra es predecible, porque ciertos factores inaceptables de desgaste no están presentes en el proceso de mecanizado.

Desgaste por fatiga térmica y efectos residuales del refrigerante
Generalmente, el choque térmico causado por los ciclos de temperatura lleva a la falla prematura de las herramientas de PCBN. Este ciclo puede originarse en torneados o fresados interrumpidos (aquellos que por naturaleza son interrumpidos). La figura 3 ilustra los resultados de un mecanizado interrumpido realizado sobre una pieza de acero endurecido 4340 (58HRc), con y sin refrigerante. La rotura de las herramientas de PCBN por fatiga térmica se caracteriza por grietas térmicas en el filo de corte del inserto. Durante el proceso, el fresado acelera estas roturas porque entra y sale del corte repetidamente. El choque térmico del refrigerante produce descascaramientos prematuros del filo de corte de la herramienta (figura 4). Esto ocurre porque el refrigerante acelera significativamente el ciclo normal de temperatura de un proceso interrumpido de mecanizado.

El mismo tipo de fatiga térmica es evidente cuando se mecaniza hierro fundido. Durante el fresado de hierro gris fundido se realizaron pruebas para determinar el efecto de las velocidades de corte y los diversos tipos de desgaste de la herramienta. La figura 4 muestra una ventaja diferente del mecanizado a más alta velocidad (1.525 m/min), relativa a la cantidad de desgaste de la herramienta.

Se realizaron otras pruebas orientadas a determinar la forma como el refrigerante afecta el fresado de hierro gris fundido. Los maquinistas saben, por experiencia, que el refrigerante va en detrimento de la vida de herramientas de PCBN en operaciones de fresado. Pero no siempre es posible mantener un ambiente de mecanizado totalmente seco en las condiciones reales del taller. Por ejemplo, cuando se fresan bloques de motor de hierro para automóviles, las piezas pueden contener residuos de refrigerante de operaciones previas de mecanizado. La figura 5 ilustra los resultados de pruebas de mecanizado de hierro gris fundido con y sin refrigerante, lo mismo que con refrigerante residual.

Antes del fresado se aplicó refrigerante a las piezas de trabajo (dos cilindros de 100 mm de diámetro exterior y 60 mm de diámetro interior) para simular el refrigerante residual en una pieza industrial. Los resultados mostraron que, en operaciones de fresado, cualquier cantidad de refrigerante va en detrimento del rendimiento de la herramienta. Como el choque térmico producido por el refrigerante residual rompe los filos rápidamente, es extremadamente importante mantener un ambiente completamente seco.

Desgaste químico
Diversas reacciones químicas pueden ocurrir entre herramientas y piezas de trabajo, según el material específico que se esté mecanizando. Para herramientas de PCBN, el fenómeno está definido por la afinidad química entre la combinación de la matriz CBN y el material de la pieza de trabajo. La composición física de los metales fundidos en diferentes plantas puede variar ampliamente, así las piezas cumplan especificaciones idénticas. Por ejemplo, la maquinabilidad del hierro fundido varía ampliamente dependiendo de la fuente.

Esto lo demostró un estudio en el cual la misma pieza de hierro fundido fue producida en nueve fundiciones distintas. Para definir las diferencias en maquinabilidad, las fundiciones de prueba fueron mecanizadas con herramientas de PCBN y con herramientas convencionales de nitruro de silicio (SiN). Los resultados se ven en la figura 6 y comparan el desgaste de la herramienta cuando se mecanizaron piezas de diferentes plantas de fundición. El desgaste de la herramienta se basa en el volumen de material removido por unidad de desgaste del flanco (cm³/0.025 mm). Aunque todas las piezas probadas fueron mecanizadas con idénticas especificaciones, el desempeño de las herramientas varió significativamente. Los resultados también indican una ventaja significativa para las herramientas de PCBN comparadas con las herramientas convencionales de SiN. El grado y tipo de desgaste de la herramienta de PCBN se ilustran en la figura 7. Como se muestra (izquierda), el filo tiene grandes cantidades de desgaste irregular del flanco. Esto indica una reacción química entre la herramienta y la pieza de hierro. Por otra parte, el patrón de desgaste más pequeño y de forma más regular (derecha) ilustra el desgaste abrasivo normal.

En conexión con este estudio se realizaron completos análisis químicos y metalúrgicos para identificar variables en estas fundiciones, que pudieran explicar la variación sustancial en el desempeño de la herramienta. Aunque estos análisis no identificaron las causas específicas de tal variación, se estudió un factor que puede ser relevante. Un fenómeno de "envejecimiento" del hierro gris aparece en algunas aplicaciones industriales de mecanizado. Este envejecimiento ocurre cuando el hierro gris se almacena durante varios períodos de tiempo antes del mecanizado. La figura 8 ilustra los resultados de piezas fundidas que fueron almacenadas durante dos períodos diferentes de tiempo antes de ser mecanizadas. De todos modos, el mismo tipo de desgaste químico, ilustrado en la figura 7, ocurrió sin importar el tipo de envejecimiento a que fueron sometidas las piezas. Aunque se han continuado los estudios de envejecimiento, su significativo efecto en el desempeño de la herramienta aún no está plenamente explicado.

Falla por impacto
Cuando la carga mecánica sobre el filo de corte de una herramienta excede las propiedades físicas del material, ocurre la falla. Como las herramientas de PCBN son muy duras, la falla por impacto comúnmente toma la forma de descascaramiento de la parte superior de la herramienta (figura 9). Si se tienen en cuenta las fuerzas sustanciales sobre el filo, su preparación es crítica para un buen desempeño. Además de la fuerza mecánica requerida para ejecutar una operación específica de mecanizado con una herramienta afilada, el maquinista debe tener en cuenta la fuerza incrementada que se requiere cuando la herramienta se desgasta.

La figura 10 muestra los resultados de ensayos de mecanizado en acero endurecido. Se observa que el componente radial de la fuerza se ha incrementado 2.5 veces. Para acero endurecido, este componente de fuerza requiere el rectificado de un chaflán en el filo de corte de la herramienta para eliminar fallas prematuras y asegurar un desempeño consistente y predecible.

Las exigencias del mecanizado –profundidad de corte, corte continuo o interrumpido y condición de la superficie de la pieza de trabajo– tienen un impacto significativo en la preparación apropiada del tipo de filo (figura 11). En las operaciones de desbaste de acero duro y hierro fundido para la industria de rodillos y bombas, las tasas de remoción de material son normalmente altas (alta velocidad y alta profundidad de corte). En esas aplicaciones, las herramientas de corte necesitan chaflanes más grandes. Para terminados en hierros grises de relativa baja resistencia, basta un redondeo del filo para muchas aplicaciones. Para el terminado de aceros endurecidos, un chaflán protege el filo de corte cuando este se desgasta.

La figura 12 muestra una herramienta con excesiva formación de cráteres en la superficie superior, que han roto su filo de corte. La acción negativa de corte del chaflán ayuda a mantener un filo de corte efectivo y previene este tipo de rotura por cráteres.

¿Desgaste aceptable?
Se debe tener en cuenta que la única forma aceptable de desgaste en herramientas de PCBN es una degradación paulatina y predecible debida a la abrasión normal. A pesar de que la inversión de un taller en herramientas consumibles puede ser sustancial, las bajas de producción y las interrupciones causadas por fallas en las herramientas de corte son siempre más costosas. Con prácticas apropiadas de taller y de preparación de herramientas, las fallas prematuras debidas a factores térmicos, químicos o de impacto, pueden ser minimizadas mediante un análisis cuidadoso de los materiales de las piezas de trabajo y de los parámetros de operación. Siguiendo estos lineamientos, los operadores que utilicen herramientas de PCBN pueden controlar sus costos y mejorar la productividad.