Aleaciones Avanzadas

7/31/2019 Aleaciones Avanzadas

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Los materiales empleados en la industria aeronutica y aeroespacial

deben tener caractersticas especiales debido a las condiciones

extremas a las que se ven sometido. Se han realizado grandes avances

en el desarrollo de nuevas aleaciones que soporten estas condiciones de

exposicin a altas temperaturas y sean resistentes a la corrosin.Sin embargo estas aleaciones presentan una gran dificultad a la hora de

ser mecanizadas. Por lo que se deben estudiar detenidamente los

procesos y tcnicas de mecanizado, las condiciones del mismo, los

diferentes tipos de herramientas y componentes de los que se puede

disponer a la hora de trabajar con este tipo de materiales y los avances

en estos campos.

Maquinabilidad; Aleaciones aeroespaciales; Herramientas de corte;

Mecanizado; Mecanizado en Rampa; Herramientas autopropulsadas;

Refrigeracin; Mecanizado en caliente.

Los materiales y aleaciones empleados en la industria aeronutica y

aeroespacial suelen ser aleaciones de hierro, niquel, titanio y aluminio,

adems de carbono materiales compuestos y cermicos. Estos

materiales poseen una gran resistencia a las altas temperaturas y a lacorrosin adems de una baja densidad lo que optimiza el consumo de

combustible. Las aleaciones de titanio y de niquel son las que mejor

satisfacen este criterio de ligereza y resistencia ya que al compararlas

con el acero este es mucho ms denso y posee una menor relacin

peso-resistencia, por lo que su uso se limita a pequeos componentes


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en este tipo de industria. Los compuestos de carbono estn ganando

peso en la industria aeroespacial debido a las mejoras en los procesos

de manufactura de este tipo de materiales con los que se obtiene un

gran compromiso entre una alta ligereza y resistencia. En la siguiente

figura podemos observar el porcentaje en peso de cada uno de los

materiales utilizados en una turbina de gas de una aeronave. Podemos

apreciar el incremento del uso de aleaciones de titanio y de niquel frente

a otro tipo de materiales.

Los metales aeroespaciales que renen las cualidades de ligereza y alta

resistencia son difciles de mecanizar pero, debido a sus caractersticas,su uso en la industria aeroespacial est muy extendido. Los fabricantes

de herramientas para el corte de metal llevan a cabo importantes

investigaciones en este campo para obtener nuevos procesos de

mecanizado y conseguir una mayor eficiencia productiva.

Los clculos de maquinabilidad de estos materiales en relacin con

desgaste de la herramienta, productividad, ndice de extraccin de

metal, fuerzas de corte, evacuacin de viruta e integridad de la pieza

ofrecen escasos resultados. Por lo general, el mecanizado de un

componente de una aleacin avanzada puede ser de diez a cinco veces

ms costoso que el de un material estndar, ya sea frrico o no.

Esto se traduce en una menor productividad, la necesidad de disponer

de un utillaje especfico, una maquinaria de gran especificacin, fluidos

de corte y sistemas avanzados de suministro del mismo, elevadas

cualificacin de los operarios y procedimientos de calidad cada vez ms


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estrictos. Mientras que los composites con matriz de metal reforzada

con fibra de carbono pueden mecanizarse eficazmente con herramientas

de metal duro y PCD, es difcil obtener una solucin para las aleaciones

de Ni y Ti.

Las aleaciones de nquel son tenaces, con gran resistencia a la

temperatura y al desgaste. Desde el punto de vista de la maquinabilidad,

las aleaciones de nquel tienden a endurecerse rpidamente. La elevada

presin producida durante el mecanizado origina elevadas carga, as

como el recrecimiento del filo de la herramienta. El fenmeno delendurecimiento tiene un efecto adverso en el proceso de mecanizado,

ralentizndolo, llegando incluso a deformaciones importantes en el caso

de piezas pequeas. La mejor opcin es mecanizar una pieza en

condiciones de estirado en fro con atenuacin de tensiones. El

laminado en caliente no es tan buena alternativa, siendo el recocido la

opcin menos recomendable para la mayor parte de aplicaciones.

Las superaleaciones de nquel aparecieron a principios de los aos 40 y

evolucionaron lentamente con el desarrollo de las turbinas de gas y la

imperiosa necesidad de soportar elevadas temperaturas y tensiones.

Con este tipo de aleaciones se llegan a alcanzar durezas en una rango

de 150 a 450 HV dependiendo del tratamiento trmico. Las sper

aleaciones suponen alrededor del 50% del peso de los motores en

aviacin y ofrecen elevada resistencia a la oxidacin, corrosin y

deformacin, manteniendo la resistencia incluso hasta 1000C.

Las aleaciones de niquel son las superaleaciones ms utilizadas. Estas

aleaciones poseen una relacin peso-resistencia considerablemente

mejor que la del acero. Otras aplicaciones en las que se emplean este

tipo aleaciones son equipamiento marino, reactores nucleares, plantaspetroqumicas y equipos de procesado de alimentos. El uso de

aleaciones de niquel en situaciones tan desfavorables y de exposicin a

un ambiente tan agresivo se debe a las caractersticas que aportan

dichas aleaciones como alta resistencia a la corrosin, a la fatiga

mecnica y trmica, resistencia a altas temperaturas y a grandes


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esfuerzos. Estas aleaciones contienen componentes intermetlicos

(Ni3(Al, Ta)) en una matriz de solucin slida de niquel con elementos

endurecedores como cromo (Cr), tungsteno (W) y renio (Re). El tntalo

(Ta) en el compuesto intermetlico mejora la resistencia a altas

temperaturas y a la oxidacin. Este elemento se puede sustituir por

titanio (Ti) para aumentar la resistencia a la temperatura y a la

oxidacin. En la tabla 1 se muestra una lista de ests aleaciones, el

Inconel 718 es la forma ms frecuente de encontrar aleaciones de

niquel.

Tabla 1. Aleaciones comerciales de niquel disponibles

Inconel (587, 597, 600, 601, 617, 625, 706, 718, X750, 901)

Nimonic (75, 80A, 90, 105, 115, 263, 942, PE 11, PE 16, PK 33, C-

263)

Rene (41, 95)

Udimet (400, 500, 520, 630, 700, 710, 720)

Pyromet 860

Astroloy

M-252

Waspaloy

Unitemp AF2-IDA6

Cabot 214Haynes 230

Las aleaciones de titanio surgieron para aplicaciones en motores de

aviacin en los aos 50, se empezaron a utilizar en gndolas y

cortafuegos y ms tarde en discos, labes y carcasas de compresores.

Las aleaciones de titanio son ms ligeras que las de nquel. La calidad

ms habitual es Ti-6Al-4V, que abarca un 50% de la produccin total de

aleaciones de Ti, es la mitad de densa que el inconel 718 y representa

aproximadamente un tercio del peso total del motor.

Algunos elementos presentes en las aleaciones de titanio, como cromo,

hierro, molibdeno, manganeso y vanadio, dificultan la maquinabilidad,


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siendo necesario calcular los parmetros de corte especficos para cada

aleacin.

Las tres fases bsicas del titanio son alfa, alfa-beta y beta, en funcin

de su estructura metalrgica y en orden ascendente de dificultad de ser

mecanizado. En aplicaciones aeroespaciales se tiende a utilizar

materiales beta.

Tipos de estructuras de las aleaciones de titanio:

Aleacin alfa: con xido y/o nitruro de aluminio

Aleacin beta: con molibdeno, ferrita, vanadio, cromo y/o manganeso.

La mayor parte de las aleaciones de titanio son una combinacin de

aleaciones a + , incluyendo Ti-6Al-4V y Ti5553.

Al igual que las aleaciones de niquel, las aleaciones de titanio poseen

una mejor relacin peso-resistencia en relacin con el acero lo que las

convierte en un material muy adecuado para la industria aeroespacial. El

uso de las aleaciones de titanio en este tipo de industria se debe a su

capacidad de mantener sus propiedades mecnicas a altas

temperaturas. Las aleaciones de titanio ofrecen una excepcional

resistencia a la corrosin, que permiten prescindir de un revestimiento

de proteccin como sera necesario en el caso de los aceros. Este tipo de

material tambin es ptimo para su aplicacin en estructuras de fuselaje

donde la temperatura de operacin excede los 130 C, que es la

temperatura mxima a la que suelen trabajar las aleaciones de aluminio.

Las aleaciones de titanios se emplean en compresores de alta y baja

presin, por componentes sometidos a altos esfuerzos mecnicos

debidos a la fuerza centrifuga como los labes y por componentes que

tienen que operar bajo severas condiciones de fatiga.


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Las aleaciones de titanio comprenden el 30% del total de la masa del

motor en el sector aeronutico comercial y el 40% en el militar.

Estas cantidades se podran aumentar mejorando las tcnicas deprocesado y eliminando defectos que provocan fallos inesperados que

disminuyen la eficiencia del motor. Uno de estos fallos es la aparicin

de fisuras o muescas que pueden causar defectos estructurales en el

motor.

La aleacin Ti6242S se usa principalmente en la turbina de gas

tanto en los elementos rotatorios tales como labes, discos y rotor que

trabajan a temperaturas superiores a los 540 C. Tambin se usa en

compresores de alta presin donde la temperatura a la que se trabaja

supera los 315 C. La aleacin Ti64 es la ms comn representando

un 60% del total de la produccin de titanio. Esta aleacin tambin se

usa en los elementos de la turbina de gas, tanto en los rotatorios como

en los estticos adems de en la carcasa y cubiertas.

Podemos definir maquinabilidad como la facilidad o dificultad que

ofrece un material a ser mecanizado bajo unos parmetros modificablesde trabajo como pueden ser la velocidad de corte, el avance de la

herramienta, o la profundidad de corte. Se puede definir un ndice de

mecanibilidad que depender de la vida de la herramienta, del acabado

superficial y de la energa consumida durante el proceso de mecanizado.

La fuerza a la que estn sometidos los componentes y la forma de la

viruta es otra forma de evaluar la maquinabilidad de un material.


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La compleja maquinabilidad de las aleaciones empleadas en la industria

aeronutica y aeroespacial, en especial las aleaciones de titanio y las

aleaciones de niquel, se debe a sus particulares caractersticas que

expondremos seguidamente.

- La elevada dureza a altas temperaturas causa deformaciones de la

herramienta de corte durante el proceso de arranque de viruta.

- Las elevadas fuerzas dinmicas de resistencia al corte que se

producen durante el proceso de arranque de viruta provocan esfuerzos

localizados y se producen dientes de sierra en el filo de la herramienta

los cuales favorecen la aparicin de entallas o fisuras en misma cuando

se mecanizan aleaciones de titanio.

- La matriz austentica de las aleaciones de niquel produce un proceso

endurecimiento rpido durante el mecanizado. Esto es uno de las

mayores causas de desgaste en el filo de corte de la herramienta.

- La presencia de carburos duros y abrasivos (MC, M23C6) en la

microestructura de las aleaciones de niquel favorece la erosin de la

herramienta.

- La mala capacidad de disipar el calor conlleva que se alcancen

temperaturas superiores 1000C en el extremo de la herramienta

provocando un elevado gradiente de temperatura.

- La soldadura de material de la pieza al borde de la herramienta da

lugar a lo que se conoce como borde recrecido que al formarse

deteriora el acabado superficial de las piezas mecanizadas adems de

disminuir la calidad del material sobre el que se trabaja.

- Las aleaciones de titanio reaccionan con la mayor parte de los

materiales a elevadas temperaturas, lo que puede provocar un desgaste

acelerado de la herramienta de corte.

Los progresos en la tecnologa de las herramientas han llevado al

desarrollo de avanzadas herramientas de corte y lubricantes que

aportan una gran estabilidad trmica y qumica al proceso de

mecanizado mejorando notablemente la maquinabilidad de las

superaleaciones aeroespaciales. Estas herramientas de corte incluyen,

recubrimientos de carburos cementados, herramientas cermicas,


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nitruro de boro cbico (Cubic Boron Nitride - CBN) y recubrimientos de

lubricanes slidos (solid lubricant coating - SLC).

Otras tcnicas de refrigeracin y lubricacin, tales como sistemascriognicos, de refrigeracin por inundacin, refrigeracin a alta

presin y lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity

lubrication - MQL), son tcnicas que se emplean con el fin de

complementar las propiedades de las herramienta. Su objetivo es

minimizar las temperaturas de la zona de corte, la viruta que se

desprende, la pieza y la herramienta de corte.

5.1. Mecanizado de aleaciones de titanio y de niquel.

En trminos generales, las herramientas de corte con desprendimiento

positivo son las idneas para mecanizar este tipo de materiales, ya que

literalmente cortan el material en lugar de deformarlo hacia delante.

Este tipo de herramientas minimizan los esfuerzos que aparecen en el

proceso de mecanizado de superficies adems de disminuir la

posibilidad de aparicin de borde recrecido.

Para conseguir el corte ideal, es fundamental aplicar el avance y la

profundidad de corte correctos, as como seleccionar la mejor geometra

de la herramienta para evitar la friccin. Incluso aplicando las mejores

condiciones, pueden aparecer tensiones que deformen la pieza. El mejor

sistema para una mxima estabilidad dimensional es realizar una

operacin de desbaste para mitigar las tensiones, y despus una de

acabado. Es importante tener en cuenta que el alivio de tensiones tiene


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muy poco efecto sobre las dimensiones, pero puede afectar a las

propiedades mecnicas.

Cuando se mecaniza Inconel es casi imposible obtener viruta

discontinua o fragmentarla en pequeos trozos. Esto es debido a la

elevada resistencia al desgaste del material. En consecuencia se produce

un importante incremento de la temperatura en la zona de corte.

Durante la operacin, cuando existe un contacto continuo entre

herramienta y material (por ejemplo, en aplicaciones de fresado de

ranuras), el calor y la presin generados pueden ocasionar la

deformacin plstica del filo de corte. Por tanto, un filo de corte vivo

minimiza las tensiones en la pieza y mejora la formacin de viruta.

La rigidez del sistema de fijacin y la eficacia de la refrigeracin en el

filo de corte son tambin factores fundamentales. Una velocidad de

corte demasiado baja puede llevar al recrecimiento del filo, fenmeno

que tiene un efecto directo sobre la herramienta, reduciendo su

duracin significativamente. La combinacin de ndices de avance ms

ligeros con un estrecho control de la velocidad de corte ofrece muy

buenos resultados, cuando se utilizan fresas de ms de cuatro dientes,

con unos ndices de extraccin de metal ms elevados sin aumentar la

carga por diente ni las tensiones en el material.

Para aplicaciones de fresado y torneado a gran velocidad se

recomiendan fluidos con base acuosa, debido a su gran capacidad de

refrigeracin. Pueden ser aceites solubles o soluciones qumicas. Para

operaciones ms lentas, como taladrado, mandrinado, roscado y

brochado, se necesitan lubricantes pesados y mezclas muy ricas de

soluciones qumicas. Las unidades de refrigeracin a alta presin son la

solucin definitiva para mejorar el rendimiento del refrigerante y

permitirle alcanzar la zona de corte para una buena evacuacin de

viruta. El constante flujo de refrigerante y un perfecto direccionado

mantienen controlada la temperatura de la zona de corte.

Las herramientas de torneado de una sola punta para mecanizar

aleaciones aeroespaciales deben tener ngulos de desprendimiento

positivo, para cortar el metal y no arrancarlo, como ocurrira si se

utilizaran ngulos de desprendimiento negativo.


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Otra funcin del ngulo de desprendimiento es alejar la viruta de la

superficie ya mecanizada. Debe ser lo suficientemente grande para que

haya espacio, y lo bastante pequeo como para que proporcione el

soporte adecuado al filo de corte. Los filos deben tener los ngulos de

desprendimiento adecuados para la aleacin y deben ser lo

suficientemente anchos y profundos para fragmentar la viruta sin

forzarla ni aglomerarla.

Se puede mejorar la fragmentacin de la viruta mediante la

implementacin en la herramienta de un pequeo obstculo que obligue

a la viruta a romperse, esto se consigue gracias al rompevirutas. El

radio entre el obstculo del rompevirutas y el plano del ngulo de

desprendimiento debe ser pequeo. Un radio suave y pequeo con unngulo adecuado evita que la viruta se adhiera al rompevirutas. Las

dimensiones del rompevirutas dependen del ndice de avance aplicado.

Los requisitos fundamentales para el fresado son precisin y acabado

uniforme. Por tanto es indispensable tener herramientas con filos vivos

y mquinas y fijaciones rgidas. Debido a que el fresado implica un corte

interrumpido, es importante que el avance y la velocidad sean correctos.

Un avance demasiado ligero, casi rozando la superficie sin el suficiente

espesor de viruta, ocasionar un endurecimiento excesivo de la

superficie.

Es preferible utilizar fresado descendente, ya que se evita la friccin e

impacto en el inicio del mecanizado. Adems, el movimiento

descendente aumenta la rigidez de la herramienta y disminuye la

vibracin. La nica desventaja es la necesidad de controlar la posible

holgura de la mesa.

El fresado frontal es preferible al fresado tangencial con fresa de tipo

rodillo, ya que se reduce el endurecimiento y la vibracin. Los

problemas de viruta en fresado son los mismos que en torneado. Lasfresas estndar disponen en general de espacio suficiente para la

evacuacin de viruta. Las fresas para aplicaciones pesadas con

desprendimiento radial positivo y axial a 45 son las ms adecuadas

para fresado de desbaste de todas las aleaciones. Las fresas, de metal

duro integral o no, para aplicaciones ligeras con desprendimiento radial


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positivo y labios helicoidales con desprendimiento axial son la mejor

opcin para las aleaciones de mayor resistencia dentro de este grupo. La

velocidad de corte es baja y la carga de virutas ligera. Para aplicaciones

de acabado en todas las aleaciones, las fresas deben tener una hlice

pronunciada, desprendimiento radial positivo y labios helicoidales.

Las fresas para desbaste, con dientes alternos a la hlice opuesta, son

idneas para aplicaciones de fresado de ranuras.

Al mecanizar aleaciones de titanio debemos tener en cuenta que la

naturaleza del titanio es ms elstica que la del acero, por lo que se

deben utilizar las fijaciones adecuadas y geometras de herramientas de

corte vivas y agresivas para evitar vibraciones incluso con bajas cargas

de corte. Estas limitaciones obligan a utilizar herramientas con

geometras muy positivas y filos de corte vivos, poniendo ms nfasis en

el avance que en la velocidad de corte. Estas condiciones garantizan los

mejores resultados en cuanto a productividad y acabado superficial. Los

portaherramientas rgidos son tambin esenciales para evitar

vibraciones y, como en aleaciones de nquel, es necesario utilizar

grandes cantidades de refrigerante, dirigido a presin al filo de corte. El

flujo de refrigerante a presin mejora la evacuacin y el control de

virutas y disipa el calor.

Las deformaciones de las herramientas ms habituales con las que nos

podemos encontrar al trabajar con aleaciones aeroespaciales son fisuras

o muescas, desgastes de las caras, incluso crteres o fractura de la

herramienta.


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El mecanizado con una configuracin lo ms estable posible de la

mquina herramienta previene las vibraciones y el consecuente

deterioro del acabado superficial pudiendo ocasionar la ruptura de la

herramienta. Adems de esta forma se pueden mantener tolerancias

mucho ms exigentes. La desviacin o la mala colocacin de la pieza

deben evitarse especialmente cuando se est trabajando en el

mecanizado de piezas delgadas o con aleaciones de titanio. Se debe

tomar las medidas oportunas para minimizar todo lo posible el

movimiento durante el mecanizado.

La maquinabilidad de las aleaciones de nquel y de titanio puede ser

mejorada empleando tcnicas como el ramping o mecanizado en

rampa, refrigeracin a alta presin, maquinado en caliente, tcnicascriognicas o la aplicacin de tcnicas basadas en el uso herramientas

rotativas autopropulsadas (Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).

La eficiencia del mecanizado de aleaciones aeroespaciales depende en

gran medida del conocimiento de la eleccin ms adecuada del material

de la herramienta, de la velocidad de corte, del tiempo de la operacin y

de los componentes de la propia mquina-herramienta.

Las investigaciones sobre los materiales de las herramientas de corte y

el desarrollo de las tcnicas de mecanizado han dado como resultado un

gran aumento de la eficiencia del proceso de mecanizado de

superaleaciones aeroespaciales. Hoy en da este tipo de aleaciones

pueden verse sometidas a procesos de mecanizado de alta velocidad de

una forma eficaz y econmica gracias a los recientes avances referidos a

herramientas de corte y a tcnicas de mecanizado.

En los siguientes puntos estudiaremos tanto el tipo de materiales

empleados en las herramientas de corte como las tcnicas que permiten

optimizar el proceso de mecanizado.


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La deficiente maquinabilidad de las aleaciones aeroespaciales obliga a

trabajar con materiales para herramientas de corte que soporten

elevadas temperaturas y grandes esfuerzos mecnicos concentrados en

el filo de corte, adems, en condiciones de elevada velocidad, esto suele

dar lugar a deformaciones de carcter plstico y acelera el desgaste de

las herramientas de corte. Trabajando en estas condiciones la mayora

de los materiales generalmente pierden su dureza dando lugar a la

disminucin de las fuerzas de unin entre las partculas del material y a

la consiguiente aceleracin del desgaste de la herramienta. La siguiente

figura nos muestra los puntos crticos de varios materiales disponiblespara el uso en herramientas de corte y la variacin de la dureza de las

herramientas con la temperatura.

El mecanizado de alta velocidad de aleaciones aeroespaciales se realiza

normalmente con herramienta con recubrimiento de carbono, cermicas

y CBN/PCBN (Cubic boron nitride /Polycrystalline cubic boron nitride)

mientras que las herramientas que no estn recubiertas son empleadas

a velocidades bajas. Las herramientas compuestas de materiales


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cermicos no se suelen usar para mecanizar aleaciones de titanio

debido a que son poco efectivas ya que las aleaciones de titanio son

altamente reactivas con los materiales cermicos.

6.1. Herramientas con recubrimiento de carburos

Podemos emplear dos tipos de herramientas de carburos en

aplicaciones de mecanizado. Los carburos puros y los mixtos. Los

carburos compuestos tienen carburo de titanio (TiC), carburo de tntalo

(TaC) o carburo de niobio (NbC) y otras tierras raras aadidos a la base

del carburo en su forma ms pura. Las herramientas destinadas al

mecanizado de aleaciones aeroespaciales se designan segn la norma

ISO con la letra M. Estas contienen una cantidad de cobalto de entre el 6

y el 9 %, de TiC de entre el 4 al 8 % y de Ta(NbC) de entre el 5 y el 10 %

con una dureza entre 1450 y 1650 HV.

Los recubrimientos cermicos mejoran las propiedades de las

herramientas de carburo. Estos recubrimientos son materiales de una

alta dureza por lo que dotan a las herramientas de una mayor

resistencia. Poseen muy buenas propiedades a altas temperaturas como

pueden ser una buena resistencia al desgaste, una superior resistencia a

la oxidacin, y una alta dureza. Las buenas propiedades de lubricacin

que aportan estos recubrimientos a las herramientas de corte minimizan

la friccin entre la herramienta y la pieza consiguiendo disminuir la

temperatura de corte.

El recubrimiento de los materiales tambin disminuye las fuerzas

generada durante el mecanizado. Cuando se mecanizan aleaciones

aeroespaciales se pueden conseguir altas velocidades de corte si

empleamos herramientas con recubrimientos de carburos. En este

mbito se estn llevando a cabo muchas investigaciones con el objetivo

de determinar el efecto del recubrimiento en las herramientas.


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Los materiales que se suelen utilizar para el recubrimiento de

herramientas de corte son TiC, TiN, Al2O3, TiCN, TiAlN, TiZrN, TiB2 y

recientemente se estn incluyendo recubrimientos de diamante. Seestima que el 40% de todas las herramientas de corte usadas en la

industria estn recubiertas y el 80% de ellas se usan para el mecanizado.

La velocidad ptima cuando se usan herramientas de corte con

recubrimiento de carburo en el mecanizado de aleaciones de nquel est

entre 30 y 100 m/min. Esto es posible debido a la mejora de la

resistencia al desgaste y buena lubricacin aportada por el

recubrimiento a las herramientas de corte. Un mejor control de la viruta

y una reduccin de la adherencia de la misma a la pieza dan como

resultado un mejor acabado superficial en la pieza mecanizada.

Un incremento en la velocidad de corte implica un incremento de la

temperatura en el filo de la herramienta. El aumento de la temperatura

en el filo de la herramienta est influido por la longitud del contacto

entre la viruta y la pieza. Sadik y Lindsstrm explican que la longitud

natural de contacto entre la herramienta y la viruta depende del tipo de

herramienta empleada y del material de la pieza mecanizada y que en

los materiales sin revestimiento normalmente se produce un incremento

de la longitud de contacto entre la viruta y la pieza. Por lo que estas

herramientas sin recubrimientos pueden aumentar las temperaturas en

un corto espacio de tiempo. Los herramientas con recubrimientos de

carbono proporcionan una menor distancia de contacto entre la viruta y

la pieza adems se consigue un retraso en el desgaste por abrasin y

aparicin de fisuras o muescas cuando se mecanizan aleaciones como el

Inconel 718.


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6.2. Herramientas Cermicas

El uso de herramientas cermicas para aplicaciones de mecanizado se

ha incrementado notablemente en las dos ltimas dcadas, como

herramientas de corte ha llagado a ser ms potente, rgida y estable

para soportar altas velocidades de trabajo. Los materiales con una baja

resistencia a la fractura pueden ser usados para mecanizar con un bajo

riesgo de fractura. Las herramientas cermicas son duras y pueden

conservar su dureza a las altas temperaturas que se generan a elevadas

velocidades de corte. Este tipo de herramienta presenta una mayor

resistencia a agentes qumicos inertes y a la oxidacin que los carburos

cementados. La baja resistencia a la fractura de las herramientas

cermicas las hace susceptibles a shocks trmicos y mecnicos duranteel mecanizado. Las cermicas tienen altos puntos de fusin y la ausencia

de una fase aglutinante secundaria, como los carburos, les impide el

reblandecimiento a alta velocidad. Hay principalmente dos categoras de

herramientas cermicas:

-Cermicas basadas en almina que est compuesta por xidos puros,

xidos mixtos y carburo de silicio (SiC) reforzado con monocristales de

almina.

-Cermicas basadas en nitruro de silicio

En la siguiente tabla se muestran las propiedades de las herramientas de

corte cermicas.

Formatted: Spanish (International Sort)

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6.3. Herramientas de CBN

Las herramientas de nitruro de boro cbico (Cubic Boron Nitride - CBN)estn formadas por cristales hexagonales de nitruro de boro sometido a

condiciones de altas temperaturas, alrededor de 1400 C, y elevada

presin, sobre unos 6000 MPa. Son los materiales para herramienta ms

duros despus del diamante y se usan principalmente para mecanizar

aceros endurecidos. Su uso est restringido a mecanizados de acabado

con el fin de competir de forma eficaz con operaciones de rectificado

que es un proceso muy costoso para la generacin de superficies

complejas.

El mecanizado de aleaciones aeroespaciales con herramientas de CBN no

se ha extendido mucho debido al coste de las herramientas y la dureza

extrema del CBN lo que favorece la fractura al mecanizar en

condiciones de cortes profundas. El precio de las herramientas de CBN

es del orden de 10 a 20 veces mayor que a las herramientas de

carburos. Las herramientas cermicas se usan tanto para el desbastado

como para operaciones de acabado mientras que las herramientas de

CBN son principalmente utilizados en operaciones de acabado para as

minimizar el coste. La necesidad de usar herramientas de CBN para el

mecanizado de aleaciones aeroespaciales puede justificarse como labsqueda de materiales para herramientas con propiedades ptimas a

altas temperaturas para mayores velocidades de mecanizado. Esto

asegurar mayores tasas de produccin de piezas mediante procesos de

mecanizado. La buena estabilidad trmica de las herramientas de CBN

impide las reacciones qumicas con los materiales de las piezas en

condiciones de alta velocidad. A 1000C, la dureza de las herramientas

de CBN es similar que la de las herramientas de tungsteno al carbono a

temperatura ambiente, sobre 1800 HV. lLas herramientas de CBN se

usan principalmente para el mecanizado de materiales con una dureza

superior a 340 HV.

Dos tipos de herramientas de CBN que podemos encontrar en el

mercado son conocidas como CBNH (alto contenido de CBN) y CBNL (bajo

contenido de CBN). La aleacin de bajo contenido en CBN contiene

carburo de titanio (TiC) o nitruro de titanio (TiN) aportando altas

Formatted: Font: Spanish (International So

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resistencia al desgaste, con una reduccin de la resistencia a la fractura.

La aleacin de alto contenido en CBN es, por lo general, ms dura y

posee una mayor resistencia a la fractura. Las cualidades de las

herramientas de CBN no dependen nicamente del contenido de CBN,

sino tambin de factores tales como la microestructura de la

fase aglutinante, o los procesos de fabricacin empleados. Las

aleaciones CBNL trabajan mejor que las CBNH cuando mecanizamos

aceros debido a las bajas temperaturas y esfuerzos generados entre la

herramienta y la pieza. Las aleaciones CBNH trabajan mejor cuando

mecanizan aleaciones como el iconel 718. La alta resistencia al desgaste

por entalladuras de herramientas de CBNH hace que estas herramientas

sean adecuadas para el mecanizado de aleaciones de nquel. Las

herramientas de CBN se usan normalmente para mecanizar aleacionesde nquel a velocidades de corte superiores a los 240 m/min.

A continuacin vamos a exponer brevemente los avances ms

significantes en tcnicas de mecanizado de aleaciones de nquel y

aleaciones de titanio. Podemos destacar como avances en las tcnicas

de mecanizado de aleaciones aeroespaciales los siguientes:

- Mecanizado en rampa ramping.- Tcnicas basadas en el uso herramientas rotativas

autopropulsadas (Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).

- Refrigeracin a alta presin.- Lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity lubrication

MQL).

- Refrigeracin criognica- Mecanizado en caliente


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7.1. Mecanizado en rampa ramping.

El mecanizado en rampa o ramping consiste en realizar continuas

pasadas variando la superficie de contacto entre la herramienta y la

pieza durante el mecanizado, esta tcnica se realiza con centros de

mecanizado CNC que permiten una gran cantidad de movimientos, con

el fin de distribuir el desgaste del filo de corte de una forma ms

eficiente, con lo que se consigue un aumento de la vida til de la

herramienta y se disminuye la aparicin de posibles fisuras o entallas en

la herramienta de corte. La aparicin de fisuras o muescas en la

herramienta es la causa de ruptura de la herramienta ms comn

cuando se mecanizan aleaciones de niquel o de titanio. Controlar la

aparicin de fisuras o entallas es casi imposible ya que se producen y

crecen de forma aleatoria. Este fenmeno provoca importantes efectos

adversos sobre la superficie de acabado esperada al realizar un proceso

de mecanizado. Las fisuras o muescas, en especial las que se producen

en el filo de corte, pueden ser minimizadas empleando un ngulo de

ataque elevado ya que la mayor parte del borde de corte est implicado

en el corte, distribuyendo de esta forma el desgaste de la herramienta.

7.2. Tcnicas basadas en el uso herramientas rotativas autopropulsadas

(Self-Propelled Rotary Tooling - SPRT).

Este mtodo se diferencia del convencional en que se le aade el

movimiento del filo de corte a los convencionales movimiento de avancede la herramienta y movimiento de corte.

El movimiento que le hemos aadido de rotacin de la herramienta nos

asegura que el filo de corte se encuentra por un corto espacio de tiempo

implicado en la accin de corte, seguido de un periodo de descanso o


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recuperacin en la que no est en contacto con la

pieza. De esta forma se facilita la disipacin del

calor.

La rotacin de la herramienta se consigue bien de

forma externa, es el caso de la herramienta

rotativa impulsada (driven rotary tool - DRT), o

bien gracias a las fuerzas de corte ejercidas sobre

la herramienta, es el caso de las herramientas autopropulsadas (Self-

Propelled Rotary Tooling - SPRT).

Los beneficios que aporta est tcnica al proceso de mecanizado son los

siguientes:

- Aumentar la vida de la herramienta.- Se producen temperaturas de corte

ms bajas.

- Mejora la maquinabilidad, sobretodo al trabajar con aleaciones

como las de titanio o las de nquel.

- Permite eliminar una mayor cantidadde metal en una pasada.

- Muy buen acabado superficial.- Las alteraciones de la superficie no

se producen o son insignificantes.


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La mayor resistencia al desgaste, el aumento que se consigue de la vida

til de la herramienta con esta tcnica y la mejora en el proceso de

mecanizado se debe a la reduccin de la velocidad de corte, al uso

completo del filo de corte y a la disminucin de la temperatura en el

mismo debido a la mejora en la transferencia de calor como resultado

de la rotacin de la herramienta durante el mecanizado.

Las herramientas empleadas en el sistema SPRT pueden tener problemas

a causa del shock trmico y mecnico que se produce por el

movimiento caracterstico del filo de la herramienta en este mtodo de

mecanizado.

Las fuerzas de cortes y las fuerzas radiales que se producen en el

mecanizado con SPRT son inferiores a los obtenidos en el torneado

convencional, ya que se reduce el trabajo realizado en la formacin de

viruta y existe una menor friccin sobre la cara de incidencia de la

herramienta SPRT.

7.3. Refrigeracin a alta presin

El objetivo fundamental de la tcnica de refrigeracin a alta presin es

reducir de forma significativa la temperatura generada durante el

mecanizado a alta velocidad. Esto se consigue mediante la inyeccin de

refrigerante a alta presin sobre la zona de corte.

El refrigerante tambin acta como lubricante, por lo que minimiza la

friccin entre los componentes

dando lugar a mejores acabados y a

una mayor vida til de la

herramienta. Los refrigerantestienden a evaporarse a causa de las

altas temperaturas que se producen

cerca del filo de corte. Pueden

llegar a formar una nube de

refrigerante vaporizado a alta

temperatura lo que mermara el efecto del propio refrigerante. El punto


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de ebullicin de los lquidos de corte ms habituales suele estar en

torno a los 350C.

Se debe prestar atencin al uso de herramientas cermicas en procesos

de refrigeracin de alta presin, ya que por sus caractersticas se

pueden ver afectadas por las fuerzas ejercidas sobre las mismas debido

a la inyeccin del refrigerante a presiones muy elevadas.

Con este mtodo tambin podemos lograr un mayor control de la viruta,

ya que facilita su ruptura consiguiendo evitar que se formen largas

virutas.

7.4. Lubricacin por cantidades mnimas (minimal quantity lubrication

MQL).

Una de las principales desventajas de los fluidos de cortes es el efecto

negativo que ejercen sobre el medio ambiente. Adems, debido a su

toxicidad, puede causar graves consecuencias en la salud de los

operarios que se encuentran en contacto con los lquidos de corte. Para

dar solucin a alguno de estos problemas y minimizar los efectos

negativos, el conocido como mecanizado limpio est cobrando cada

vez ms importancia. Esto consiste en emplear la cantidad mnima

necesaria de refrigerantes durante el mecanizado y emplear lquidos

refrigerantes que respeten el medioambiente adems de utilizar estos

mismos de forma responsable.

La tecnologa de lubricacin por cantidades mnimas (MQL) consiste en

la aplicacin de una pequea cantidad de agua y de aceite soluble, 6

100 ml/h1, que se aplica directamente sobre la zona de trabajo

mediante una corriente de aire comprimido dirigido sobre el filo de

corte. Las mejoras en el mecanizado se pueden atribuir al aceitelubricante que se aplica a cierta presin muy cerca de la zona de

contacto entre la viruta y la pieza y entre la pieza y la herramienta, por

lo que se consigue reducir la friccin y las fuerzas que se generan

durante el mecanizado. La reduccin de la temperatura en la zona de

corte con el sistema MQL se consigue principalmente por el efecto


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refrigerante del aire comprimido y por la evaporacin del refrigerante.

Una cantidad importante de calor es absorbida debido a la evaporacin

del lubricante, as se consigue una significante reduccin de la

temperatura en la zona de corte. La soldadura de la viruta al filo de

corte y las presiones que se generan en este proceso son la principal

causa de rupturas de herramientas en el fresado de aleaciones de titanio

con herramientas de acero rpido. Con el MQL este tipo de fallos se

pueden reducir considerablemente lo que implica una gran mejora en el

acabado superficial de las piezas mecanizadas. El sistema MQL ha

mostrado el potencial de este mtodo en el mecanizado tanto en

condiciones de baja como de alta velocidad. La principal desventaja de

usar este sistema es la aparicin de vapores que representan un peligro

latente para la salud de los trabajadores. Este inconveniente se puedeminimizar empleando buenos extractores que eliminen los vapores del

ambiente de trabajo.

7.5. Refrigeracin criognica

La refrigeracin criognica es una forma eficaz de mantener la

temperatura de corte bastante por debajo de la temperatura de

reblandecimiento del material de la herramienta. Esta tecnologa se

emplea principalmente en procesos de rectificado debido a las altas

temperaturas que se alcanzan en la zona de trabajo del proceso de

rectificado, las cuales pueden llegar a daar la superficie de la pieza si

no se controlan y producir alteraciones fsicas y qumicas de las

caractersticas de las capas superficiales de la pieza, aparicin de

tensiones residuales y grietas en capas superficiales o interiores de la

pieza. El principio de la refrigeracin criognica en procesos de

rectificado requiere direccionar un chorro de gases licuados a presin en

la zona de trabajo. El refrigerante que se utiliza normalmente en la


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refrigeracin criognica es nitrgeno lquido (LN2) por su bajo costo y

por no ser nocivo para el medio ambiente.

Cuando empleamos una herramienta de corte RBSN (reaction bonded

silicon nitride) con CBN mediante este mtodo se genera una

temperatura mxima de 829 C a diferencia de los 1153C que

obtendramos empleando un mtodo de mecanizado seco. Estas

temperaturas estn por debajo de la temperatura de reblandecimiento

(1500 C) de la herramienta de corte de CBN, por lo tanto se obtiene una

mejora en el rendimiento de la herramienta este sistema. El desgaste de

las piezas y las herramientas de corte cuando mecanizamos aleaciones

de titanio Ti6Al4V con carburos cementados usando el refrigerante

LN2 y lo comparamos con un mecanizado convencional conrefrigeracin convencional hace evidente un incremento de hasta 5

veces del desgaste de la herramienta empleando refrigeracin

convencional.

7.6. Mecanizado en caliente (Hot Machining)

Este mtodo se basa en el conocimiento de que los metales tienden a

deformarse ms fcilmente cuando aumenta la temperatura, con la

consiguiente facilidad de mecanizado de determinados materiales.

Las tcnicas de aplicacin de calor

que se han investigado han sido por

corriente elctrica, por arco, por

induccin de alta frecuencia y

chorro de plasma entre otros. Se

han explorado varios mtodos de

calentamiento pero todos tienen

limitaciones en cuanto a su

aplicacin y no se pueden utilizaren todas las circunstancias. Por ejemplo, calentamiento por rayo lser

tiene una baja eficiencia y un coste muy elevado debido a la gran

cantidad de potencia que se requiere para su aplicacin, o

calentamiento por haz de electrones al vaco y nuevamente aparece el

problema del coste del proceso. Ests limitaciones han impedido que el


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mecanizado en caliente emplee en la industria de fabricacin hasta que

un avance cientfico, como es el arco de plasma, provoc un cambio

drstico. Este proceso deja atrs varias desventajas como son el coste,

la necesidad de generar condiciones de vaco, daos metalrgicos a la

pieza adems de asegurar mejores acabados superficiales, alargando la

vida de la herramienta y mejorando la produccin.

El mecanizado en caliente con arco de plasma asistido utiliza un arco de

plasma a elevada temperatura que permite localizar la fuente de calor

en la zona de corte, una pequea porcin de la pieza, lo que permite no

influir en las propiedades metalrgicas del resto de la pieza.Un arco de

plasma consiste en una corriente de gas ionizado a alta temperatura y a

alta velocidad sometido a una alta corriente por un arco elctrico debajo voltaje.

Los beneficios de este proceso son:

-El incremento de la cantidad de metal que se puede eliminar.

-Capacidad de mecanizar metales duros y difciles de trabajar incluso

cuando estn muy endurecidos y tratados trmicamente, como es el

caso de las aleaciones aeroespaciales.

-No se producen daos metalrgicos al mecanizar superficies.

-Incremento de la vida de la herramienta.

-Es apto para cortes interrumpidos.

-Un ahorro de costes en el mecanizado de las piezas.

Se han producido avances en la investigacin del mecanizado hibrido

que combina tcnicas de refrigeracin criognica y mecanizado con arco

de plasma para el mecanizado de aleaciones aeroespaciales. El

reblandecimiento mediante el arco de plasma facilita el mecanizado de

la pieza mientras el nitrgeno, que acta como refrigerante, protege la

herramienta del sobrecalentamiento, de esta forma se minimiza laaparicin de defectos en la herramienta debidos a la temperatura y el

desgaste de la misma. Estos estudios muestran una mejora del 250% en

el acabado superficial de la pieza, un 156% en la mejora de la vida de la

herramienta y una reduccin entre el 30% y el 50% en las fuerzas

generadas en un proceso de mecanizado convencional.


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Se han producido unos grandes avances durante los ltimos tiempos en

el avance de los mtodos y las tcnicas de mecanizado gracias a la

introduccin de nuevos materiales y a la mejora de las tcnicas de

mecanizado y refrigeracin.

Centrndonos en la industria aeroespacial, podemos observar que se

han desarrollado e introducido nuevos materiales para las herramientas

de corte y se han producido grandes avances en la investigacin de

nuevas tcnicas de mecanizado que a la hora de mecanizar

superaleaciones de uso aeroespacial como son las aleaciones de nquel

o de titanio permiten superar las dificultades que estas presentandebido a su gran dureza y su gran resistencia a altas temperaturas y a la

corrosin. Esto permite que las herramientas de corte no pierdan sus

propiedades alargando su vida til y no se comprometan las

caractersticas de la pieza mecanizada ni el acabado superficial de la

misma.

Sera bueno resaltar los progresos obtenidos con la introduccin de

tcnica de mecanizado hbrido que combina la refrigeracin criognica

de la herramienta de corte con el mecanizado en caliente por arco de

plasma. Esta tcnica presenta grandes ventajas a la hora de mecanizar

aleaciones difciles de mecanizar como las superaleaciones de uso

aeroespacial.

[1] J. Paulo Davim

Ed: Springer 2008.

[2] John R. Walker

Tinley Park (Illinois): Goodheart-Willcox, cop. 2004


27/27

[3] F.C.Campbell

1 Edition. Ed: Elsevier

[4] Matthew J. Donachie, Stephen J. Donachie

2 Edition Ed: ASM International.

[5] E.O Ezugwu, J. Bonney, Y Yamane

Volume 134, Issue 2, 10 March 2003, Pages 233-253

[6] E.O Ezugwu

International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume

45, Issues 1213, October 2005, Pages 1353-1367

[7]

http://www.imh.es/sarea/giga/2011/03/16/mecanizado-de-

materiales-exoticos-para-la-industria-aeronautica-2/

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