Torneado duro: opciones para la producción de autopartes

La evolución tecnológica, tanto en maquinaria como en herramientas de corte y periféricos, está abriendo la posibilidad de que procesos ya conocidos tomen nuevas dimensiones y reduzcan costos y tiempo ciclo. El torneado en duro es un ejemplo claro de ello.  

La fabricación en masa de piezas rotativas para la industria automotriz está acompañada de múltiples pasos en su cadena productiva en los que se hace necesario cumplir con requerimientos cada vez más estrictos de calidad y precio. Esto genera presión sobre los proveedores de autopartes para hacer cada vez más eficiente su proceso, en un mercado que se prepara para un aumento en la demanda mundial, tanto de partes para automóviles con motores de combustión, como de los nuevos desarrollos en trenes motrices basados en potencia eléctrica.

Las piezas automotrices requieren cada vez mejores acabados superficiales y tolerancias más ajustadas en materiales de mayor resistencia mecánica. Esto se suma a la tendencia general de los fabricantes a generar una mayor cantidad de modelos con una duración en el mercado más reducida, lo cual hace también que los procesos productivos deban volverse más flexibles para responder a cambios relativamente rápidos en la planeación productiva.

Un proceso interesante para responder a estos retos es el del torneado duro, debido a que en un solo centro de mecanizado se pueden hacer los trabajos para varias superficies funcionales de una pieza sin necesidad de cambiar su ajuste en el mandril. Es decir, se pueden lograr incluso mejores niveles de rectitud, paralelismo y concentricidad que en cadenas productivas donde la pieza tiene que llevarse de máquina en máquina.

El proceso de torneado duro, que generalmente se realiza al final de la cadena de manufactura para alcanzar las especificaciones finales, es más fácil de programar que el rectificado, sumando el hecho de que en un centro de mecanizado se pueden realizar tareas que normalmente requerirían varias máquinas distintas de este último proceso. Por ejemplo, reemplaza la necesidad de programar tareas de rectificado exterior, interior y de perfiles libres, ya que todas ellas se pueden realizar en un solo centro de mecanizado para torno. Incluso se pueden lograr trabajos de muy alta calidad en perfiles para roscas directamente en el material tratado térmicamente.

La reducción en tiempos de ciclo proveniente de todas estas ventajas se suma a la generada por el aumento en productividad que permiten los nuevos insertos de corte de CBN. Su mayor costo inicial se ve rápidamente amortizado por mejoras en la velocidad de remoción de material, reducción en el desgaste y aumento de la confiabilidad del proceso que conlleva tener filos de corte que mantienen la geometría dentro de las tolerancias deseadas. (Ver imagen 2)

Entre las ventajas del uso del torneado duro como reemplazo del rectificado están las siguientes:

• Es más fácil hacer cambios en el proceso en un torno CNC que en un proceso de rectificado cuando se requieren modificaciones de diseño en la pieza.
• La viruta que se desprende del proceso de torneado es más amigable con el ambiente, en comparación con la viruta mezclada con el lubricante que se genera durante el rectificado. Debido a que en su gran mayoría no se necesita líquido de refrigeración durante el torneado duro, los costos de desecho y reciclado se minimizan.
• Existe una reducción de consumo energético entre el torneado duro y el rectificado debido a la posibilidad de generar mayores tasas de remoción de material en menos pasos, con menores movimientos de masas grandes.
• Adicionalmente, los costos de una máquina de torneado son mucho menores que los de una máquina de rectificado.

Viabilidad 

El torneado duro no es algo nuevo. Se reportan casos de éxito torneando materiales por encima de los 60 HRC desde hace más de 20 años; sin embargo, los fabricantes de insertos de corte continuamente suman mejoras a sus productos que empujan los límites conocidos para sus herramientas. Ha existido una tendencia generalizada que se centra en considerar que la gran dureza de los insertos de CBN los hace inviables para aplicaciones de corte interrumpido. Y es aquí donde existen los mayores avances hoy en día y se debe cambiar esta visión.

Cada vez se desarrollan mejores combinaciones de materiales con las cuales se mantiene una muy alta dureza del inserto, mientras se logran excelentes propiedades de tenacidad a la fractura y de resistencia térmica y química. Un ejemplo de esto lo muestran los insertos para torneado duro recién presentados por el fabricante de origen sueco Sandvik Coromant. Se trata de la serie CB7125 y CB7135 que permite aumentar la velocidad de mecanizado con profundidades de corte también más altas en corte interrumpido.

Sandvik asegura que los nuevos insertos de CBN mejoran la resistencia al desgaste de cráter y reducen su fragilidad para lograr mayores velocidades de corte en aceros endurecidos superficialmente y por inducción entre 58 y 62 HRC. Los recubrimientos nuevos basados en capas de cerámicos depositadas por PVD (típicamente combinaciones de Ti (C,N,O) le entregan muy buenas propiedades de resistencia al desgaste en aplicaciones de corte interrumpido, como al tornear ejes estriados o con agujeros de lubricación o ranuras para chavetas. 

Estos recubrimientos tienen una función adicional, que es la de hacer más fácil la detección del desgaste por medio del cambio de color en la superficie del borde de corte. Esto mejora la capacidad de reacción de los operarios de las máquinas para cambiar de inserto justo a tiempo y evitar problemas de calidad en las piezas terminadas. Una característica interesante de la serie CV7125 es que su contenido medio de CBN lo hace ideal también para aplicaciones como la remoción de capas endurecidas en ejes y piñones o en torneado que pasa de duro a dúctil en los acabados de piñones corona a altas velocidades de corte (hasta 250 m/min). Todo esto ayuda a habilitar estrategias de “un solo corte”, es decir, alcanzar el acabado final en una sola pasada con un espesor de viruta mayor y a mayores velocidades, mejorando la productividad.

El tipo CV7135 de Sandvik, presentado también a finales del año 2018, está desarrollado para soportar cortes altamente interrumpidos en materiales endurecidos y con geometrías sin chaflán, a velocidades y profundidades de corte mucho mayores a las acostumbradas para un inserto con alto contenido de CBN: velocidades de corte de 120 m/min con profundidades de corte de 0.3 mm en aceros con 60 HRC. El fabricante sostiene que puede incluso duplicar la vida útil del nuevo grado de inserto si se mantienen las condiciones de corte en comparación con uno de tecnología anterior. Un ejemplo claro de estas aplicaciones puede ser el refrentado de dientes de piñonería endurecida. En el rango de trabajo H35 (corte altamente interrumpido, sin chaflanes, en materiales endurecidos) otros fabricantes como Seco Tools ofrecen insertos del grado CH3515, una herramienta de PCBN (CBN policristalino) con un contenido de este compuesto del 90 % de su volumen. Presenta también recubrimientos PVD de (Ti,Al)N para lograr mayor resistencia al desgaste.

Torneado exitoso

Aun cuando los principios de torneado tradicional aplican para el torneado duro y de esta manera se hace mucho más rápido incluirlo en una línea productiva, hay algunos temas que se deben tener en cuenta para asegurar el éxito, dado que no solamente las herramientas de corte son las que hacen el trabajo. 

Un par de pasos antes en la cadena de manufactura que termina con el torneado duro, incluso antes del tratamiento térmico, se realiza un pre-mecanizado de las piezas en las que se deja una sobredimensión que será luego removida en estado endurecido.

Durante este pre-mecanizado es importante tener en cuenta algunos puntos importantes:

• La pieza debe quedar libre de rebabas.
• Evitar dejar esquinas vivas. Es decir, planear la geometría directamente con redondeos o chaflanes.
• Entrar y salir de los cortes con movimientos suaves y radiales.
• Usar insertos en forma de wiper para obtener un mejor acabado superficial.
• Mantener las tolerancias lo más ajustadas posible.

Tener en cuenta estos aspectos aumentará notablemente la vida útil del inserto de CBN usado posteriormente, mejorando finalmente la productividad del proceso total.

Máquina y sujeción 

No cualquier máquina de torneado está predestinada a ser una estación para torneado duro. La estabilidad de la máquina desde el punto de vista estructural y térmico son cruciales para lograr piezas de alta calidad dimensional y superficial, que son normalmente los criterios de aceptación que se usan en estos procesos finales. (Ver imagen 3)

La sujeción de la pieza es crucial para prevenir vibraciones que se verán reflejadas en el acabado superficial. Los sistemas tradicionales de mandriles de sujeción con tres puntos no son suficientes para garantizar los mejores resultados superficiales. Deben emplearse métodos que garanticen una mayor área de sujeción. En todos los casos que sea posible, usar el contrapunto del torno para agregar rigidez y estabilidad al montaje. Usar herramientas de sección lo más grande agrega estabilidad al sistema. 

Gracias a la gran resistencia térmica del CBN, normalmente no se necesita refrigerante para el corte, lo cual mejora las posibilidades de reciclar y aprovechar la viruta del proceso. Solo en algunos casos de corte continuo en los que los requerimientos de rugosidad superficial son muy estrictos se recomienda usar líquido refrigerante.

Un ejemplo de aplicación de gran interés lo presentó la firma Danobat con el desarrollo de un nuevo torno de alta precisión de la gama LT-400 con un sistema de pre-centrado de las piezas que se van a tornear utilizando sondas de medición que reducen notablemente los tiempos muertos de configuración de las piezas.

El sistema fue desarrollado para los fabricantes de rodamientos NBI Bearings Europe para el torneado duro del hombro de un anillo de alta complejidad geométrica. Como es sabido, los requerimientos en cuanto a dureza y rugosidad superficial de este tipo de componentes es de los más altos en cuanto a piezas de producción en masa. La capacidad de garantizar el posicionamiento correcto de la pieza permitió alcanzar durante el torneado rugosidades de menos de 0.4 μm Ra, eliminando la necesidad de utilizar el proceso de rectificado y dando la flexibilidad a los fabricantes de modificar la geometría en el futuro. (Ver imagen 4)