Análisis tribológico del desgaste
Este es el cuarto de una serie de artículos relacionados con la aplicación de herramientas de mecanizado y las cargas generadas en los procesos de mecanizado. El primer artículo se centró en los conceptos básicos y en la relación entre la geometría de la herramienta, los avances y las cargas mecánicas en las operaciones de torneado. Los dos artículos siguientes analizaron las cargas mecánicas y térmicas en el fresado. Este artículo explica las interacciones entre la viruta y la herramienta a través de las teorías de la tribología, una área de análisis relativamente nueva de carga. Tribología estudia cómo las superficies en contacto entre sí interactúan a ciertas temperaturas y presiones.Introducción
Este es el cuarto de una serie de artículos relacionados con la aplicación de herramientas de mecanizado y las cargas generadas en los procesos de mecanizado. El primer artículo se centró en los conceptos básicos y en la relación entre la geometría de la herramienta, los avances y las cargas mecánicas en las operaciones de torneado. Los dos artículos siguientes analizaron las cargas mecánicas y térmicas en el fresado. Este artículo explica las interacciones entre la viruta y la herramienta a través de las teorías de la tribología, una área de análisis relativamente nueva de carga. Tribología estudia cómo las superficies en contacto entre sí interactúan a ciertas temperaturas y presiones.
Teorías de desgaste de herramientas
En una operación de mecanizado, una herramienta deforma el material de la pieza de trabajo y hace que se corte en forma de virutas. El proceso de deformación genera calor y presión, cargas que eventualmente hacen que la herramienta se desgaste o falle. La teoría del desgaste tradicional dice que los fallos resultan de la fricción entre la viruta y la herramienta, que están en contacto, pero no están unidos entre sí.
Sin embargo, las investigaciones recientes sobre los mecanismos de fallo de las herramientas de corte han determinado que las presiones y temperaturas, especialmente las generadas al mecanizar materiales de piezas de alto rendimiento, son tales que la teoría del desgaste tradicional no describe completamente lo que ocurre en la relación viruta/herramienta.
La investigación tribológica ha determinado que el proceso de corte no implica simplemente un solo concepto en el corte y el desprendimiento posterior de la viruta y la herramienta. De hecho, también se producen conexiones y desconexiones secundarias y terciarias. La viruta se desprende, se adhiere a la zona de desprendimiento y luego se corta de nuevo antes de finalmente deslizarse fuera de la herramienta. El mecanismo de desgaste principal es el cizallamiento repetido, no la fricción.
Las Figuras 1 y 2 ilustran el proceso de corte como se describe a través de la tribología. La Figura 1 muestra la deformación preliminar del material de la pieza de trabajo en la zona 5. La Zona 3 es la zona de separación, también llamada punto de estancamiento, porque el movimiento relativo del material de la pieza de trabajo y la herramienta en esa zona es esencialmente cero. El cizallamiento inicial tiene lugar en la zona de corte primario 1, donde el material se corta y se forma la viruta. Luego, en la zona de corte secundario 2, la virut está en contacto en la cara de desprendimiento. Las altas presiones hacen que la virut se adhiera a la cara de desprendimiento de la herramienta.
En la Figura 2 se observa de cerca la acción en la Zona 2. En la Zona A, el material de la pieza de trabajo presiona contra el filo de corte con una fuerza extrema y empieza a pegarse a la herramienta. En la zona B, el material se adhiere a la cara de desprendimiento. En la zona C, la viruta se corta lejos de la cara de desprendimiento y se desliza a través de ella, poniendo fin al contacto entre ella y la herramienta.
La Figura 1 también muestra el cizallamiento secundario en el flanco de la herramienta en la Zona 4. La misma secuencia de cizallamiento y adherencia que ocurre en la Zona 2 en la cara de desprendimiento también ocurre en el flanco. Los eventos en la Zona 4 producen desgaste de los flancos, que es más predecible que el desgaste de la cara de desprendimiento en la Zona 2 y es relativamente inofensivo. En algunos materiales, sin embargo, el cizallamiento en la cara del flanco resulta en temple superficial que tiene un efecto perjudicial sobre la herramienta de corte y la pieza de trabajo.
Recrecimiento de filo
La adherencia del material de la pieza de trabajo a la cara de desprendimiento de la herramienta comienza en capas finas y se acumula en las capas adicionales siguientes. Este proceso puede llevar a un conocido síntoma negativo como el recrecimiento de filo. Si una cantidad significativa de material se acumula en la herramienta, puede cambiar el perfil del filo. El material acumulado también puede romperse y dañarlo. En el peor de los casos, el material acumulado en el filo puede ser depositado sobre la pieza de trabajo. En cualquiera o todas estas situaciones, este recrecimiento hace que el proceso de corte sea impredecible e incontrolable. El objetivo principal de la tribología es aprender qué causa el recrecimiento de filo y qué se puede hacer para minimizar el problema.
Dos aspectos del proceso de corte contribuyen a la unión la viruta a la cara de desprendimiento. Un factor son las muy altas presiones y temperaturas que existen en la zona de corte. El otro factor es la velocidad relativamente lenta de salida de la viruta a través de la herramienta, comenzando con el movimiento cero en el punto de estancamiento. Cuando dos materiales están en contacto entre sí bajo alta presión y temperatura, y se mueven lentamente, las condiciones son primordiales para que se adhieran entre sí y para que el recrecimiento se forme.
Minimizar la adherencia y las posibilidades de formar recrecimiento de filo implica reducir el tiempo de contacto entre la viruta y la cara de desprendimiento. La solución más sencilla es aumentar la velocidad de corte y utilizar una herramienta con arista más viva. Las mayores velocidades de corte reducen el tiempo que la herramienta y el material de la pieza de trabajo están en contacto entre sí. Las temperaturas más altas resultantes también pueden reducir la resistencia de cualquier acumulación de material en el filo o eliminarla completamente. La herramienta con arista más viva tiene un ángulo de desprendimiento mayor que obliga la viruta a recorrer una distancia más larga durante un periodo de tiempo determinado, es decir, moverse más rápidamente.
Tendencias de materiales
La tribología recientemente ha ganado la atención porque la posibilidad de la formación de recrecimiento de filo es mucho mayor en los materiales actuales y que no eran comúnmente mecanizados hace 20 años. Por ejemplo, el recrecimiento de filo generado se produce pero no ha sido un problema crítico en materiales conocidos tales como aceros con alto contenido de carbono. La aplicación de parámetros de mecanizado correctos generalmente elimina la adherencia y previene el recrecimiento de filo. Además, no hay problema en materiales de viruta corta como la fundición. Los materiales de viruta larga, por otro lado, generan automáticamente más tiempo de contacto entre la viruta y la herramienta, creando más riesgo de adherencia entre ellos. Cuando se usan materiales como aceros con bajo contenido de carbono o aluminio, la posibilidad del rececimiento de filo es mayor.
El recrecimiento de filo es más frecuente cuando se usan materiales con alta ductilidad, altas tendencias a la adhesión y abrasividad. Un buen ejemplo es la familia de materiales de la industria aeronáutica y generación de energía que abarca titanios, aleaciones con base níquel y metales resistentes al calor. Otros factores que favorecen al recrecimiento de filo son la alta presión y las temperaturas que se generan al mecanizar estas duras aleaciones que tienen una mala conductividad térmica. Y en general, las velocidades de corte para estos materiales son generalmente más lentas que la media.
Además de maximizar las velocidades de corte y el corte más suave, existen enfoques para controlar el recrecimiento de filo y que se centran en la condición superficial de la herramienta. De manera bastante sorprendente, hay dos pensamientos esencialmente opuestos sobre el tema. Si la superficie de la herramienta es más suave, se generará menos energía cuando la viruta se deslice sobre la cara de la herramienta. Las temperaturas más bajas y menos contacto reducen las tendencias para el recrecimiento de filo . Contrariamente a esa teoría, el concepto de que una superficie de herramienta más rugosa micrométricamente, tendrá como resultado un menor contacto entre la viruta y la cara de desprendimiento y, de este modo, reduce la posibilidad de adhesión. Ninguno de las dos opciones está plenamente probado y, en algunas circunstancias, puede ser eficaz.
Conclusión: avance a través de la tribología
La investigación y las teorías de la tribología, así como las tecnologías de procesos y herramientas desarrolladas para abordar temas como el recrecimiento de filo (véase la barra lateral), se centran en el objetivo de producir una calidad superficial mecanizada que satisfaga las necesidades del cliente. Junto a los requisitos dimensionales y de forma, la rugosidad superficial es muy a menudo la forma en que se define la calidad de una pieza. Especialmente en aplicaciones aeronáticas y nucleares, el acabado superficial es una prioridad porque las imperfecciones de mecanizado pueden representar el origen de grietas críticas en aviones y componentes de generación de energía.
El recrecimiento de filo resultará en malos acabados superficiales y en la necesidad de cambiar las herramientas con frecuencia. Con esfuerzos que incluyen la investigación tribológica, se ha avanzado en la limitación de la ocurrencia y los efectos del recrecimiento de filo. El progreso se puede cuantificar en términos de costes y rendimiento: específicamente, cuánto cuesta generar un milímetro cuadrado en superficie de pieza mecanizada correctamente. En los últimos cinco años, la relación coste/rendimiento para las operaciones de acabado en titanio ha mejorado cerca de 20 veces. Los avances tanto en materiales de herramienta de corte como en geometrías han contribuido al éxito, pero lo más importante son combinaciones cuidadosamente desarrolladas de ambas. El conocimiento de los mecanismos tribológicos involucrados en la aplicación en las herramientas puede permitir a los operarios controlar fenómenos como el recrecimiennto de filo y generar los acabados superficiales deseados a costes más bajos, maximizando así la productividad y la rentabilidad.
Aplicación de los hallazgos tribológicos
Los ingenieros de herramientas aplican los resultados de la investigación tribológica en el desarrollo de herramientas y procesos de mecanizado. En el lado del proceso, la aplicación de velocidades de corte más altas y geometrías con aristas más vivas es eficaz en el control de la formación del recrecimiennto de filo en muchas circunstancias. Otras opciones de geometría de la herramienta, como el uso de herramientas con desprendimientos positivos, pueden ayudar a cortar el material lejos de la pieza de trabajo.
Los recubrimientos de la herramienta son una manera contrastada de reducir la adherencia del material de la pieza de trabajo a la herramienta de corte. Los recubrimientos tales como TiN se han utilizado tradicionalmente para facilitar el flujo de virutas en el mecanizado de acero, al igual que los recubrimientos de diamante en aplicaciones en aluminio.
Los recientes esfuerzos de desarrollo ponen un fuerte énfasis en el papel de un recubrimiento para minimizar el recrecimiennto de filo. Por ejemplo, la última tecnología de recubrimiento Duratomic® de óxido de aluminio CVD de Seco se basa en principios tribológicos. Los ingenieros de desarrollo manipularon los componentes del recubrimiento en respuesta al conocimiento ampliado de las interacciones entre las virutas y la herramienta de corte.
Otro ejemplo de los recubrimientos Seco destinados a controlar el recrecimiennto de filo es el nuevo recubrimiento PVD desarrollado para plaquitas de fresado de la calidad MS2050. El recubrimiento tiene altas capacidades de resistencia al calor y también prácticamente elimina la aparición de recrecimiennto de filo al mecanizar materiales pegajosos como el titanio. Con la ausencia de recrecimiennto de filo, las plaquitas duran aproximadamente un 50 por ciento más y trabajan con parámetros de corte mucho más altos en comparación con las herramientas convencionales.
En la vanguardia de la investigación tribológica están los esfuerzos para hacer que los fenómenos como el recrecimiennto de filo contribuyan positivamente a la productividad del mecanizado. En algunos casos, una fina capa de material de la pieza de trabajo sobre la superficie de la herramienta de corte puede retardar el progreso del desgaste. El desafío es limitar esta capa de protección de herramienta a un grosor que no afecte a la geometría de la herramienta y tampoco se separe de la superficie de la herramienta.
La introducción continua de nuevas aleaciones de alto rendimiento que plantean problemas de mecanizado cada vez más duros hace que la investigación tribológica sea un campo dinámico. Los desarrolladores de herramientas de corte y procesos de mecanizado están utilizando la nueva perspectiva proporcionada por la tribología para responder y resolver los desafíos de maneras innovadoras.