Herramientas de corte: las protagonistas de la revolución del mecanizado

Los tres factores y el “acompañante”

Las herramientas de corte, bien sean placas de torno, fresas, brocas, escariadores o brochas, deben desarrollarse en tres aspectos materiales, sustrato o material base, geometría y recubrimiento, a los que se suma el manual de aplicación, hoy día de gran importancia. Dado el gran número de fabricantes y marcas es éste último el que puede significar el uso o no de unas herramientas y su éxito en producción.

Según datos de la AMT (Asociación española de fabricantes de herramientas y accesorios), el sector de herramientas de corte de Europa, formado por los fabricantes, facturó cerca de 7 billones de euros en el 2006. Más del 50% del consumo mundial de estos productos tiene su origen en Europa. La industria europea de herramientas de corte da empleo a más de 60.000 personas. Los fabricantes nacionales de estos productos han incrementado su facturación en el último ejercicio en un 9% y la cifra de exportación por encima del 20%. Según datos de esta asociación, la herramienta supone el 4% de su coste de producción, un coste relativamente bajo en los cálculos de las empresas, sin embargo, las herramientas juegan un papel decisivo en la calidad del producto y en la eficiencia del mecanizado.

El campo de las herramientas de corte se ha visto revolucionado en los últimos años por cuatro hechos:

• Desarrollo de nuevas calidades de metal duro micrograno y submicrograno, donde se llega a tamaños de grano menores a 0,3 micras. Las herramientas de metal duro se obtienen mezclando carburo de tungsteno (es el nombre anglosajón del wolframio) pulverizado con cobalto a temperaturas elevadas, habitualmente en la proporción de 88-94% y 12-6% en peso respectivamente. Presenta una alta dureza, y además soporta temperaturas de hasta 900ºC. Se debe distinguir en ellos dos aspectos, la cantidad de cobalto del conglomerante (6-12%) que posee importancia a la hora de recubrirlas y el tamaño del grano. Así se habla de micrograno (menores a 1 mm), y submicrograno (los menores a 0,5); cuanto más pequeño es el grano el material es más duro y tenaz, lo que se va consiguiendo cada año que pasa. La herramienta de metal duro puede rectificarse de forma compleja, originando herramientas con una geometría muy optimizada a la aplicación. Las máquinas que realizan esta operación son del tipo de Walter Maschinenbau, líder del sector.
• Desarrollo de materiales sintéticos extraduros, como son el diamante policristalino (PCD), el nitruro de boro cúbico (CBN), y mejora de las calidades cerámicas. Así, el PCD es un material sintético formado por granos de diamante sinterizados con matriz de cobalto. Es de aplicación a todo material no férreo (grafito, composites de fibra de carbono o vidrio, cerámicas) cuya resistencia y carácter abrasivo sea elevada. Sobre materiales férreos no puede aplicarse debido a su descomposición en forma de grafito. EL PCBN es de aplicación a fundición y aceros templados. Aún considerando que el CBN es un material de corte relativamente frágil, tiene mayor tenacidad que las cerámicas. Su gran ventaja frente al diamante está en que no posee una afinidad al carbono. Esto permite su aplicación en fundiciones y aceros de alta dureza, materiales no aptos para el mecanizado con herramientas de diamante.
• Desarrollo de recubrimientos de elevadas prestaciones, de gran dureza, resistencia térmica y bajo coeficiente de fricción. La familia del TiAlN y los nuevos AlCrN han sido uno de los principales factores del desarrollo de los últimos tiempos. Desde el punto de vista técnico, la propiedad más importante de un recubrimiento PVD es su dureza, especialmente en caliente. Adicionalmente se exige una apropiada adhesión para cada aplicación, coeficiente de fricción reducido y elevada resistencia a la oxidación y al ataque químico con el material trabajado. Su elevada dureza en caliente permite aumentar las velocidades de corte, incrementándose así la productividad del proceso. El desarrollo de nuevos recubrimientos PVD se ha orientado a obtener las durezas más altas posibles, si menoscabar las otras propiedades que les caracterizan. En ese sentido la evolución en durezas desde los sustratos a los recubrimientos PVD para herramientas ha seguido el siguiente orden: aceros rápidos (7-9 GPa), metales duros (14-21 GPa), recubrimiento TiN (24 GPa), TiCN (37 GPa), TiAlN (38 GPa).
• Necesidad de trabajar en seco o, en caso de no ser posible, con mínimas cantidades de lubricante, esto último se denomina micropulverización o MQL (Minimum quantity of lubricant). Este aspecto se considera fundamental en lo que se viene conociendo como Green manufacturing. A los condicionantes ecológicos que recomiendan el MQL se suma que a alta velocidad de giro del cabezal el lubricante tipo emulsión no puede penetrar en el filo de corte, como se observa en la figura: se forma un torbellino que impide el correcto fluir de la emulsión dentro de los filos.

Los parámetros de corte son la velocidad de corte v_c (o v), el avance por diente f_z o revolución, y la profundidad de pasada axial a_p y radial a_e (o a_r). Junto a la estrategia de mecanizado y la lubricación, son los datos necesarios para la descripción de cualquier operación de mecanizado. La elección de unos parámetros de corte erróneos generará con toda seguridad un mal resultado. En cambio, si la elección de estos parámetros se realiza de forma correcta, se puede garantizar el idóneo funcionamiento de la herramienta, sufriendo ésta un desgaste uniforme y más o menos predecible y llegando a una pieza de rugosidad superficial adecuada.

¿Cómo se pueden elegir los parámetros de corte? Además de la experiencia personal, imprescindible, aunque que por sí sola no resuelve la cuestión, se pueden realizar consultas en tres fuentes:

• Libros clásicos, entre ellos el manual de ASM: Vol. 16, Machining. Nos puede dar alguna luz general sobre el comportamiento frente al arranque de viruta del material a trabajar, aunque no contiene los últimos datos de herramientas en el mercado.
• Catálogos, guías y sistemas de ayuda en CD o por Internet. Claramente son el presente y, sin duda, el futuro necesario para el buen uso en taller de las herramientas. De nada sirve tener una herramienta del siglo XXI y no disponer de la guía de uso en un soporte del siglo XXI: rápida, actualizada y user friendly.
• Método de mejora del proceso híbrido (teórico y experimental), que parte de la realización de hipótesis basadas en la simulación por elementos finitos u otro tipo de modelos. De aquí se obtienen los parámetros a ser validados en pruebas experimentales, cuyos resultados refinarán los parámetros. Este camino es la vía metodológica y sistemática en proyectos de I+D sobre mecanizado de nuevos materiales o sobre mejora de la maquinabilidad de los mismos.

Desgaste de herramientas

El desgaste progresivo de una herramienta se origina por la acción del proceso de mecanizado y tiene lugar en tres localizaciones distintas:

1. Desgaste en la cara de desprendimiento, caracterizado por la formación de un cráter. Este es el resultado de la acción de la viruta al fluir y deslizarse a lo largo de dicha superficie. Se denota con la letra K. Se origina por mecanismos de difusión química y de querencia adhesiva, asociados a la fricción de la viruta sobre la superficie.
2. Desgaste en el labio o de flanco, localizado en la cara de incidencia de la herramienta cuya causa es el rozamiento entre la herramienta y la superficie generada de la pieza. Se denota como VB_B. Se debe a fenómenos físicos de abrasión entre el filo y la superficie mecanizada.
3. Deterioro del filo en forma de astillamiento (chipping) o aplastamiento. Se origina por la acción mecánica de las fuerzas de corte.

Todos los desgastes se describen en normas ISO (ISO 3685-1993 Tool life testing with single point turning tools, y ISO 8688-1-1989: Tool life testing in milling Part 1: face milling, Part 2 End milling). Los criterios recomendados por la norma ISO para definir la duración efectiva de las herramientas de acero rápido, metal duro o cerámicas son diversos, así:

1. Fallo catastrófico, es decir, rotura total del filo.
2. Si VB_B llega a 0,3 mm y además el labio está desgastado uniformemente.
3. Si VB_Bmax llega a 0,6 mm, pero el labio está desgastado irregularmente o existe astillado.

El desgaste de flanco suele ser el factor a controlar dado que tiene una repercusión directa en la perdida de dimensión de la herramienta y, por tanto, produce superficies menos precisas.En operaciones de desbaste el desgaste es habitual relacionarlo con el volumen de material eliminado, que es el principal objetivo a maximizar en esta operación. En acabado con la longitud de pieza mecanizada, que indica cuanto ha friccionado el filo con la pieza, y que como se ha indicado es el causante del desgaste de flanco.

El desgaste de herramientas es hoy día un campo de investigación en sí mismo, dentro de la disciplina denominada Tribología, que es la ciencia del contacto y la fricción. Con esta ciencia comparte conocimientos, técnicas de investigación, instrumentos de medida y surgen problemas con el mismo fundamento físico. Uno de los principales campos comunes es la investigación en desarrollo de recubrimientos antifricción.

A continuación vamos a abordar los últimos avances en cada campo concreto, centrándonos en aquellos aspectos que puedan ser de última novedad.