Factores clave en el mecanizado de acero inoxidable
El acero inoxidable es fuerte y resiste el calor y la corrosión. Para mecanizar, compense las propiedades y geometrías de la herramienta con parámetros de corte agresivos.El acero inoxidable es un material versátil de la pieza de trabajo que combina fuerza con resistencia al calor y a la corrosión. Esas excepcionales propiedades estructurales hacen que sea más difícil de mecanizar. Los talleres necesitan un cuidadoso equilibrio entre las propiedades y geometrías de las herramientas de corte, además de parámetros de corte agresivos para el mecanizado productivo de acero inoxidable. Con la configuración y los ajustes correctos, el acero inoxidable se vuelve menos desafiante y más gratificante de tornear.
Los aceros inoxidables vienen en cinco grupos familiares: ferrítico, martensítico, austenítico, dúplex y endurecimiento por precipitación. Las propiedades y aplicaciones únicas de cada grupo presentan diferentes desafíos de mecanizado.
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Las aleaciones básicas de acero inoxidable son ferríticas o martensíticas. Las aleaciones ferríticas incluyen un 10%-12% de cromo y no se pueden endurecer. Las aleaciones martensíticas añaden más cromo y carbono, junto con manganeso y silicio, endureciéndose mediante tratamiento térmico. Hoy en día, las aleaciones inoxidables ferríticas y martensíticas aparecen en artículos para el hogar como herramientas de cocina o jardín. Ya no son la primera opción para entornos industriales. Las aleaciones de acero inoxidable han evolucionado hacia una mayor resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.
En cuanto a la fuerza, la industria metalúrgica ha añadido níquel para crear aleaciones de hierro / cromo / níquel, o aceros inoxidables austeníticos. Estas aleaciones son comunes en el procesamiento petroquímico, en cumplimiento de los requisitos de higiene de la industria alimentaria y para la producción de maquinaria general para ambientes hostiles.
Unas mayores capacidades de rendimiento suponen mayores desafíos de fabricación. Las aleaciones ferríticas y martensíticas de acero inoxidable no son mucho más difíciles de mecanizar que los aceros simples porque su resistencia a la corrosión es una propiedad química. Sin embargo, los mismos elementos que permiten aumentar la dureza, tenacidad, resistencia a la deformación y propiedades térmicas de los aceros inoxidables austeníticos también disminuyen su maquinabilidad.
Hasta hace poco, los operarios asumían que la resistencia de las aleaciones austeníticas requería mayores fuerzas de corte mecánicas, herramientas de geometría negativa más fuertes y parámetros de corte reducidos. Ese enfoque no ha tenido el éxito esperado. Ofrece una corta vida útil de la herramienta, con virutas largas, rebabas frecuentes, rugosidad superficial insatisfactoria y vibraciones no deseadas.
El acero inoxidable austenítico no requiere fuerzas de corte mecánicas mucho más altas que los aceros tradicionales. El principal desafío de los aceros inoxidables austeníticos radica en sus propiedades térmicas, que requieren más energía para el mecanizado.
Pero el corte de metales es fundamentalmente un proceso de deformación, durante el cual los aceros inoxidables austeníticos se endurecen. Los aceros inoxidables austeníticos combinan una baja conductividad térmica con una alta resistencia a la deformación, por lo que su mecanizado genera un exceso de calor. Es esencial evacuar ese calor de la zona de corte. A diferencia de las virutas de acero lisas, las virutas austeníticas de acero inoxidable no pueden absorber y acumular mucho calor. En cambio, sí permanecen en la zona de corte, lo que acorta la vida útil de la herramienta.
Los fabricantes de herramientas diseñan sustratos de carburo capaces de soportar el calor generado mientras mecanizan acero inoxidable. La nitidez del borde de corte es tan importante como la composición del sustrato. Una herramienta más afilada corta el acero inoxidable en lugar de deformarlo, lo que reduce la generación de calor.
Aunque la mala conductividad térmica del acero inoxidable limita la absorción de calor de las virutas, un volumen mayor de viruta elimina más calor. Para evacuar el calor de la zona de corte de manera eficaz, utilice las mayores profundidades de corte y las velocidades de alimentación posibles para maximizar el calor acumulado en las virutas. Las profundidades de corte más grandes también reducen el número de pasadas de corte necesarias para completar una pieza. El acero inoxidable austenítico tiende a trabajar endurecido cuando se mecaniza, por lo que menos pasadas de corte minimizan estos riesgos dañinos.
Estas tácticas agresivas de mecanizado presentan una serie de limitaciones prácticas. Por ejemplo, los requisitos de acabado superficial restringen las tasas máximas de alimentación. La potencia de la máquina herramienta, así como la rigidez de la herramienta de corte y de la pieza de trabajo, también limita los parámetros de mecanizado.
El uso de refrigerante suele ser crucial para un mecanizado con éxito de aleaciones austeníticas de acero inoxidable. Use emulsión de aceite/agua de alta calidad con al menos un 8% o 9% por ciento de contenido de aceite. Por su parte, las operaciones de mecanizado típicas utilizan solo un 3% o 4% de contenido de aceite. La entrega de mayor presión a la zona de corte también mejora el rendimiento del refrigerante. Los sistemas especializados de entrega de alta presión, como Seco Jetstream Tooling®, son aún más eficaces.
Un revestimiento duro de la superficie de la herramienta refuerza la dureza en caliente y mejora la vida útil de la herramienta en condiciones de alta temperatura. Los recubrimientos gruesos que aíslan el sustrato del calor no se adhieren bien a geometrías muy afiladas. En su lugar, los fabricantes de herramientas de corte diseñan recubrimientos delgados que proporcionan una buena barrera térmica. Algunas aleaciones austeníticas de acero inoxidable contienen incrustaciones duras y abrasivas. Un recubrimiento duro que aumenta la resistencia a la abrasión de la herramienta de corte puede aumentar la vida útil de la herramienta.
Los aceros inoxidables austeníticos son altamente dúctiles y tienden a adherirse a la herramienta de corte. El desgaste por adherencia ocurre cuando el material cortado se adhiere y se acumula en la herramienta. Estas adherencias pueden desprenderse de las secciones del filo de corte, lo que conduce a un acabado superficial deficiente y a fallos de la herramienta. Los recubrimientos pueden proporcionar lubricidad que inhibe el desgaste por adherencia. Las velocidades de corte más altas también ayudan a minimizar el desgaste por adherencia.
El desgaste de la muesca es una forma extrema y altamente localizada de desgaste de fricción que resulta del endurecimiento del trabajo durante el mecanizado. Las profundidades variadas de corte extienden las áreas de desgaste a través del borde de corte. Junto con unos recubrimientos apropiados, esta estrategia ayuda a mitigar el desgaste de las muescas en aceros inoxidables austeníticos.
Los fabricantes de herramientas equilibran las propiedades de la herramienta para un rendimiento óptimo en materiales específicos de la pieza de trabajo. La selección del grado del carburo busca equilibrar la dureza y la tenacidad. Esto produce una herramienta lo suficientemente dura para resistir la deformación, pero no tan dura como para fracturarse. Del mismo modo, la innovadora geometría afilada no es tan fuerte como un borde redondeado. Los fabricantes de herramientas tienen como objetivo crear herramientas capaces de equilibrar la nitidez y la fuerza.
Los fabricantes de herramientas revisan sus directrices de aplicación de las herramientas durante el desarrollo de las mismas. La mayoría de las recomendaciones sobre parámetros de mecanizado se basan en la dureza y la tenacidad de los aceros tradicionales. Estas recomendaciones no consideran los factores térmicos implicados en el mecanizado de aceros inoxidables austeníticos y otras aleaciones de alto rendimiento. En colaboración con investigadores académicos, los fabricantes de herramientas han comenzado a revisar los procesos de prueba de herramientas a la luz de las características térmicas de estos materiales.
Las nuevas directrices de ensayo reflejan la creación de nuevos materiales de referencia. Los estándares tradicionales de maquinabilidad utilizaban una aleación de acero y las cargas mecánicas producidas durante su mecanizado. Ahora, los fabricantes de herramientas han establecido un material de referencia separado para los aceros inoxidables austeníticos con valores de referencia adecuados según las velocidades, los avances y la profundidad de corte. Para lograr una productividad óptima en materiales con diversas características de mecanizado, los fabricantes de herramientas aplican factores de balanceo o calibrado relativos a ese material de referencia.
Muchas herramientas de corte ofrecen un rendimiento altamente aceptable en diversos materiales bajo numerosas condiciones de corte y parámetros de mecanizado. Estas herramientas pueden ofrecer una productividad moderada y rentable, además de una calidad de pieza de trabajo óptima para trabajos puntuales.
Sin embargo, para obtener la máxima productividad y fiabilidad del proceso en materiales específicos de piezas de trabajo, los fabricantes de herramientas manipulan y equilibran continuamente una amplia variedad de elementos de herramientas. Los elementos básicos de una herramienta incluyen su sustrato, el revestimiento y la geometría. Todos son importantes. En las mejores herramientas, funcionan como un sistema capaz de producir resultados que superan la suma de sus partes.
Algunas partes de una herramienta, incluida la geometría de la herramienta, desempeñan un papel activo. La geometría puede cambiar la generación y eliminación del calor, la formación de virutas y el acabado superficial permitido. Por el contrario, los sustratos y los recubrimientos juegan papeles pasivos. Están diseñados para equilibrar la dureza y la tenacidad, soportar altas temperaturas y resistir químicos, adherencia y desgaste abrasivo.
Las plaquitas de geometría de torneado M3 y M5 tradicionales de Seco ofrecen ejemplos básicos de diferencias de geometría que alteran el rendimiento. Ambos cuentan con geometrías negativas (0˚ ángulo de separación) del borde de corte y tierras en T entre el borde de corte y la superficie de desprendimiento de la herramienta. La versátil geometría M3 medio-rugosa proporciona una buena vida útil de la herramienta y la rotura de virutas en una amplia gama de materiales de piezas de trabajo. Las geometrías M5 asumen aplicaciones exigentes de desbaste de alta alimentación. Combina la gran resistencia en el filo comparativamente con bajas fuerzas de corte.
A pesar de su versatilidad, las geometrías M3 y M5 son fuertes, pero no del todo nítidas. En acero inoxidable austenítico, generan un elevado volumen de calor debido a la deformación. En cambio, las geometrías Seco MF4 y MF5 presentan geometrías nítidas y positivas. Sus tierras en T positivas más estrechas ayudan a mantener la nitidez mientras proporcionan apoyo tras un borde afilado. Estas geometrías abiertas y de corte libre facilitan las operaciones medias a operaciones de acabado en aceros y aceros inoxidables. La geometría MF5 es especialmente eficaz en aplicaciones de alta alimentación.
Para lograr unos resultados correctos, los operarios necesitan diseños de herramientas que se adapten a los materiales que utilizan. En materiales complejos y exigentes, como los aceros inoxidables austeníticos, esto significa utilizar las herramientas correctas y unos enfoques de mecanizado capaces de compensar el comportamiento de los metales mismos. Los nuevos diseños de herramientas suponen una respuesta óptima a los materiales versátiles pero a la vez desafiantes de pieza de trabajo.
