-
647
Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte
22.1 Introduccin 64722.2 Aceros de alta veloci-
dad 65222.3 Aleaciones de cobalto
fundido 65322.4 Carburos 65322.5 Herramientas recubier-
tas 65622.6 Cermicos con base de
almina 66122.7 Nitruro de boro cbico
66222.8 Cermicos con base de
nitruro de silicio 66322.9 Diamante 66322.10 Materiales para
herra-
mientas reforzados contriquitas 664
22.11 Costos y reacondicio-namiento de las herra-mientas 664
22.12 Fluidos de corte 665
EJEMPLOS:
22.1 El papel que juegan loselementos de aleacinen las
herramientas decorte de aceros de altavelocidad 652
22.2 Efectos de los fluidosde corte en el maqui-nado 666
Para seguir con la cobertura de los fundamentos de corte en el
captulo precedente,ahora describimos dos elementos esenciales en el
maquinado (mecanizado): los mate-riales para las herramientas y los
fluidos de corte. En especfico:
Tipos y caractersticas de los materiales para herramientas de
corte.
Propiedades y aplicaciones de los aceros de alta velocidad, los
carburos, los cermi-cos, el nitruro de boro cbico y el
diamante.
Recubrimientos en herramientas, su composicin y cmo
funcionan.
Tipos de fluidos de corte y sus aplicaciones.
Tendencias en el maquinado casi seco y en seco.
22.1 Introduccin
La seleccin de los materiales que se utilizarn en las
herramientas de corte para unaaplicacin en particular es uno de los
factores ms importantes en las operaciones de ma-quinado, como lo
es la seleccin del material para moldes y matrices (dados) en los
pro-cesos de formado y moldeado. A lo largo de este captulo
discutiremos las propiedadesbsicas y las caractersticas de desempeo
de los tipos ms importantes de materiales pa-ra herramientas de
corte, lo que nos ayudar en su seleccin. Sin embargo, como ser
ob-vio, la compleja naturaleza de este tema no siempre sirve al
determinar los materialesapropiados para las herramientas, de ah
que tambin debamos confiar en guas y reco-mendaciones que se han
acumulado en la industria durante muchos aos. Comenzare-mos con el
captulo 23, donde se presentar informacin sobre recomendaciones
demateriales para herramientas, materiales de piezas de trabajo y
operaciones especficasde maquinado.
Como se indic en el captulo precedente, la herramienta de corte
se somete a (a)temperaturas elevadas; (b) esfuerzos de contacto
elevados; (c) rozamiento a lo largo de lainterfaz
herramienta-viruta y a lo largo de la superficie maquinada. En
consecuencia, elmaterial de la herramienta de corte debe poseer las
siguientes caractersticas:
Dureza en caliente: para que se mantengan la dureza, resistencia
y resistencia aldesgaste de la herramienta a las temperaturas
habituales en las operaciones de ma-quinado. Esto asegura que la
herramienta no sufra alguna deformacin plstica y,por ende, retenga
su forma y filo. En la figura 22.1 se muestra la dureza del
materialpara herramientas en funcin de la temperatura. Obsrvese la
amplia respuesta de
22C A P T U L O
22
-
648 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
0 55
60
65
70
75
80
85
90
95 100 300 500 700
200 400 600 800 1000 1200 1400
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Dur
eza
(HRA
)
H
RC
Temperatura (8F)
8C
Cermicos
CarburosAceros de alta velocidad
Aceros al
carbono para
herram
ientas
Aleacionesfundidas
FIGURA 22.1 Dureza de diversos materiales para herramien-tas de
corte en funcin de la temperatura (dureza en caliente). Elamplio
intervalo en cada grupo de materiales se debe a la varie-dad de
composiciones de las herramientas y a los tratamientosdisponibles
para cada grupo.
estos materiales y (sin ser sorpresivo) lo bien que los cermicos
mantienen su dure-za a temperaturas elevadas. Las herramientas de
aceros al carbono se utilizaron co-mo materiales para herramientas
hasta el desarrollo de los aceros de alta velocidada principios del
siglo XX. Los aceros al carbono para herramientas comienzan aperder
su dureza con rapidez, incluso a temperaturas moderadas, lo que
significaque no se pueden emplear en maquinado a altas velocidades
(y de ah a altas tem-peraturas). En consecuencia, la capacidad de
produccin sera baja y los costos ele-vados.
Tenacidad y resistencia al impacto (impacto mecnico): para que
las fuerzas de im-pacto sobre la herramienta, que se repiten en
operaciones de corte interrumpido(como el fresado, torneado de una
flecha estriada en un torno, o debido a la vibra-cin y el traqueteo
durante el maquinado), no astillen o fracturen la herramienta.
Resistencia al impacto trmico: para soportar los ciclos rpidos
de temperatura en-contrados en el corte interrumpido.
Resistencia al desgaste: para obtener una vida til aceptable de
la herramienta an-tes de reemplazarla.
Estabilidad qumica y neutralidad: con respecto al material a
maquinar, para evitaro minimizar cualquier reaccin adversa, adhesin
y difusin en la herramienta-vi-ruta que pudiera contribuir al
desgaste de la herramienta.
Para responder a estos demandantes requerimientos, a lo largo de
los aos se han de-sarrollado diversos materiales para herramientas
de corte con una amplia variedad de pro-piedades mecnicas, fsicas y
qumicas, como se muestra en la tabla 22.1. Las propiedades
-
649
TABLA 22.1
Propiedades generales de los materiales para herramientas
Propiedad Aceros de alta Aleaciones de Carburos Cermicos Nitruro
de boro Diamante mono-velocidad cobalto fundido
WC TiCcbico cristalino
Dureza 8386 HRA 8284 HRA 9095 HRA 9193 HRA 9195 HRA 40005000 HK
70008000 HK4662 HRC 18002400 HK 18003200 HK 20003000 HK
Resistencia a la compresin,MPa 41004500 15002300 41005850
31003850 27504500 6900 6900
600650 220335 600850 450560 400650 1000 1000Resistencia a la
ruptura
transversal,MPa 24004800 13802050 10502600 13801900 345950 700
1350
350700 200300 150375 200275 50135 105 200Resistencia al
impacto,
J 1.358 0.341.25 0.341.35 0.791.24pulg.-lb 1270 311 312 711
Mdulo de elasticidad,GPa 200 520690 310450 310410 850
8201050
30 75100 4565 4560 125 120150Densidad,
8600 80008700 10,00015,000 55005800 40004500 3500 35000.31
0.290.31 0.360.54 0.20.22 0.140.16 0.13 0.13
Volumen de fase dura, % 715 1020 7090 100 95 95Temperatura de
fusin o
de descomposicin,C 1300 1400 1400 2000 1300 700F 2370 2550 2550
3600 2400 1300
Conductividad trmica, W/m K 3050 42125 17 29 13 5002000
Coeficiente de expansin 12 46.5 7.59 68.5 4.8 1.54.8trmica,
En general, los valores para el diamante policristalino son ms
bajos, excepto por la resistencia al impacto, que es mayor.*
* 10-6>C
lb>pulg3kg>m3
psi * 106
62656160.260.560.1
psi * 103
psi * 103
*
-
650 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
indicadas en la primera columna son tiles al determinar las
caractersticas deseables de losmateriales para herramientas para
una aplicacin en particular. As, por ejemplo:
La dureza y la resistencia son importantes en relacin con la
dureza y resistenciadel material de la pieza de trabajo a
maquinar.
La resistencia al impacto es importante para producir cortes
interrumpidos en elmaquinado, como en el caso del fresado.
La temperatura de fusin del material para herramientas es
importante contra lastemperaturas desarrolladas en la zona de
corte.
Las propiedades fsicas de conductividad trmica y coeficiente de
dilatacin trmi-ca son importantes para determinar la resistencia a
la fatiga trmica y al impactotrmico de los materiales para
herramientas.
Sin embargo, debe reconocerse que las propiedades deseables en
las herramientaspara una operacin de maquinado particular pueden
parecer contradictorias respecto delas propiedades de la
herramienta de corte. Esta situacin se puede ver con claridad en
latabla 22.2, observando las direcciones opuestas de las flechas
horizontales largas. Comoejemplos: (a) los aceros de alta velocidad
son tenaces, pero tienen una dureza en calientelimitada, y (b) los
materiales cermicos tienen alta resistencia a la temperatura y al
des-gaste, pero son frgiles y pueden astillarse. Obsrvese tambin
que el costo de las herra-mientas aumenta conforme nos movemos
hacia la derecha en la tabla 22.2: de aceros dealta velocidad (HSS,
por sus siglas en ingls) a diamante (que es el ms costoso).
En la tabla 22.3 se muestran las caractersticas de operacin de
los materiales paraherramientas en el maquinado. En general, dichos
materiales se dividen en las siguientescategoras, indicadas segn el
orden en que se desarrollaron e implantaron en la indus-
TABLA 22.2
Caractersticas generales de los materiales para herramientas de
corte (estos materiales para
herramientas tienen una amplia variedad de composiciones y
propiedades. En muchas categoras
de materiales para herramientas existen traslapes)
Aceros de Aleaciones Carburos Carburos Cermicos Nitruro de
Diamantealta de cobalto no recubiertos boro cbico
velocidad fundido recubiertos policristalino
Dureza en calienteTenacidadResistencia al impactoResistencia al
desgasteResistencia al astilladoVelocidad de corteResistencia al
impacto
trmicoCosto del material de
la herrramientaProfundidad de corte De ligera De ligera De
ligera De ligera De ligera De ligera Muy ligera para
a a a a a a el diamanteprofunda profunda profunda profunda
profunda profunda monocristalino
Mtodo de Forjado, Fundido y Prensado CVD o Prensado Sinterizado
Sinterizadoprocesamiento fundido, sinterizado en fro PVD en fro y
de alta de alta
sinterizado HIP y sinterizado sinterizado presin y presin yHIP*
o sinteri- y alta alta
zado HIP temperatura temperatura
Fuente: R. KomanduriPrensado isosttico en caliente.Deposicin
qumica de vapor, deposicin fsica de vapor.
*
-
22.1 Introduccin 651
TABLA 22.3
Caractersticas generales de operacin de los materiales para
herramientas de corte
Materiales para Caractersticas Modos de desgaste o
Limitacionesherramientas generales falla de las herramientas
Aceros de alta velocidad Alta tenacidad, resistencia a la
Desgaste del flanco, Baja resistencia en caliente,
capacidadfractura, amplio intervalo de craterizacin. limitada de
endurecimiento ycortes de desbaste y acabado, limitada resistencia
al desgaste. buenos para cortes interrumpidos.
Carburos no recubiertos Alta dureza para un amplio Desgaste del
flanco, No se puede usar a bajas veloci-intervalo de temperaturas,
te- craterizacin. dades debido al soldado en fronacidad,
resistencia al desgaste, de las virutas y el
microastillado.variedad de aplicaciones am-plia y verstil.
Carburos recubiertos Mejor resistencia al desgaste Desgaste del
flanco, No se puede usar a bajas velocidadesque los carburos no
recubier- craterizacin. debido al soldado en fro de lastos, mejores
propiedades tr- virutas y el microastillado.micas y de friccin.
Cermicos Alta dureza a temperaturas Muescado de lnea de Baja
resistencia mecnica y bajaelevadas, alta resistencia al profundidad
de corte, resistencia a la fatiga desgaste abrasivo.
microastillado, termomecnica.
fractura gruesa.Nitruro de boro Alta resistencia en caliente,
Muescado de lnea de Baja resistencia y baja estabilidad
cbico tenacidad, resistencia del profundidad de corte, qumica a
temperaturas altas.policristalino (cBN) filo de corte. astillado,
oxidacin,
grafitizacin.Diamante Alta dureza y tenacidad, resis- Astillado,
oxidacin, Baja resistencia y baja estabilidad
tencia al desgaste abrasivo. grafitizacin. qumica a temperaturas
altas.
Fuente: R. Komanduri y otras fuentes.
tria. Obsrvese que muchos de estos materiales tambin se utilizan
para matrices y mol-des en fundicin, formado y moldeado de
materiales metlicos y no metlicos.
1. Aceros de alta velocidad.
2. Aleaciones de cobalto fundido.
3. Carburos.
4. Herramientas recubiertas.
5. Cermicos con base almina.
6. Nitruro de boro cbico.
7. Cermicos con base de nitruro de silicio.
8. Diamante.
9. Materiales reforzados con triquitas y nanomateriales.
Los aceros al carbono son los materiales para herramientas ms
antiguos y se hanutilizado ampliamente en brocas, machuelos, brocas
y rimas desde la dcada de 1880.Despus se desarrollaron aceros de
baja y media aleacin para aplicaciones similares, pe-ro con una
vida til ms larga de la herramienta. Aunque son econmicos y es fcil
dar-les forma y afilarlos, estos aceros no tienen la suficiente
dureza en caliente ni laresistencia al desgaste para cortar a altas
velocidades, cuando la temperatura se eleva demanera significativa.
Su uso se limita a operaciones de baja velocidad de corte, de ahque
no tengan una importancia particular en la manufactura moderna.
En este captulo se describe lo siguiente:
Las caractersticas, aplicaciones y limitaciones de estos
materiales para herramien-tas en las operaciones de maquinado,
incluyendo las caractersticas requeridas quehemos sealado y los
costos correspondientes.
-
652 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
El intervalo aplicable de las variables de proceso para un
desempeo ptimo.
Los tipos y caractersticas de los fluidos de corte y sus
aplicaciones especficas enuna amplia variedad de operaciones de
maquinado.
22.2 Aceros de alta velocidad
Las herramientas de acero de alta velocidad (HSS) se llaman as
porque se desarrollaronpara maquinar a mayores velocidades de las
que era posible hacerlo antes. Producidos porprimera vez a
principios del siglo XX, los aceros de alta velocidad son los que
tienen ma-yor aleacin de todos los aceros para herramientas. Se
pueden endurecer a diferentes pro-fundidades, poseen buena
resistencia al desgaste y son relativamente econmicos. Debidoa su
tenacidad (de ah su alta resistencia a la fractura), los aceros de
alta velocidad son ade-cuados para: (a) herramientas de ngulos
grandes y positivos de ataque (es decir, aquellascon pequeos ngulos
comprendidos); (b) cortes interrumpidos, (c) mquinas herramien-ta
con baja rigidez, sujetas a vibracin y traqueteo, y (d)
herramientas complejas y de unasola pieza, como brocas, rimas,
machuelos y cortadores de engranes. Su limitacin ms im-portante
(por su baja resistencia en caliente) es que las velocidades de
corte son bajas, enrelacin con las de las herramientas de carburo,
como se puede ver en la figura 22.1.
Existen dos tipos bsicos de aceros de alta velocidad: al
molibdeno (serie M) y altungsteno (serie T). La serie M contiene
hasta 10% de Mo, con Cr, V, W y Co como ele-mentos de aleacin. La
serie T contiene de 12% a 18% de W, con Cr, V y Co como elemen-tos
de aleacin. Los carburos formados en el acero constituyen de 10% a
20% en volumen.En general, la serie M tiene mayor resistencia a la
abrasin que la serie T, sufre menosdistorsin durante el tratamiento
trmico y es menos costosa. En consecuencia, 95% detodos los aceros
de alta velocidad para herramientas se producen con la serie M. La
ta-bla 5.6 incluye tres de estos aceros y sus caractersticas.
Existen aceros de alta velocidad para herramientas ya
conformadas (laminados oforjados), fundidas y para metalurgia de
polvos (sinterizacin). Se pueden recubrir paramejorar su desempeo,
como se indica en la seccin 22.5. Los aceros de alta velocidadpara
herramientas tambin se pueden someter a tratamientos superficiales
(como endu-recimiento superficial para mejorar la dureza y la
resistencia al desgaste, ver seccin4.10) o a tratamiento con vapor
a temperaturas elevadas para desarrollar una capa durade xido negro
(azulado) a fin de mejorar el desempeo, incluyendo una tendencia
redu-cida a la formacin de borde acumulado.
EJEMPLO 22.1 El papel que juegan los elementos de aleacin en las
herramientasde corte de acero de alta velocidad
Liste los principales elementos de aleacin en los aceros de alta
velocidad y describasus efectos en las herramientas de corte.
Solucin Los principales elementos de aleacin en los HSS son el
cromo, vanadio,tungsteno, cobalto y molibdeno.Para apreciar su
funcin en las herramientas de corte, consulte la seccin 5.5.1
sobrelos efectos de los diversos elementos en los aceros y observe
lo siguiente:
Cromo: mejora la tenacidad, la resistencia al desgaste y la
resistencia a tempera-turas elevadas.
Vanadio: mejora la tenacidad, la resistencia a la abrasin y la
dureza en caliente.El tungsteno y el cobalto tienen efectos
similares: mejoran la resistencia y la du-
reza en caliente.Molibdeno: mejora la resistencia al desgaste,
la tenacidad y la resistencia y du-
reza a la temperatura elevada.
-
22.4 Carburos 653
22.3 Aleaciones de cobalto fundidoPresentadas en 1915, las
aleaciones de cobalto fundido tienen los siguientes intervalos
decomposicin: de 38% a 53% de Co, de 30% a 33% de Cr y de 10% a 20%
de W. Debi-do a su elevada dureza (comnmente entre 58 y 64 HRC),
tienen buena resistencia al des-gaste y pueden mantener su dureza a
temperaturas elevadas. No son tan tenaces como losaceros de alta
velocidad y son sensibles a las fuerzas de impacto. En
consecuencia, sonmenos adecuadas que los aceros de alta velocidad
para las operaciones de corte interrum-pido. Conocidas comnmente
como herramientas de estelita, estas aleaciones se funden yse
rectifican para darles formas relativamente sencillas. En la
actualidad slo se utilizan enaplicaciones especiales que implican
cortes de desbaste, profundos y continuos, con avan-ces y
velocidades relativamente elevadas, hasta del doble de las
capacidades posibles conlos aceros de alta velocidad. Como se
indica en la seccin 23.2, por lo general los cortesde desbaste
comprenden grandes proporciones de avance y grandes profundidades
de cor-te, con el propsito fundamental de retirar grandes
cantidades de material, con poco cui-dado por el acabado
superficial. Por el contrario, los cortes de acabado se realizan
conmenores avances y profundidades de corte, y el acabado
superficial es prioritario.
22.4 CarburosLos dos grupos de materiales para herramientas
descritos hasta este punto poseen la te-nacidad y resistencia al
impacto requeridos, pero tambin tienen limitaciones importan-tes,
en particular respecto de la resistencia y la dureza en caliente.
En consecuencia, nopueden utilizarse efectivamente donde existen
altas velocidades de corte (y de ah, altastemperaturas). Sin
embargo, esta condicin es necesaria a menudo para mejorar la
pro-ductividad de la planta.
Para cumplir el reto de las velocidades de corte cada vez
mayores se presentaronlos carburos (tambin conocidos como carburos
cementados o sinterizados) por primeravez en la dcada de 1930.
Debido a su elevada dureza en un amplio intervalo de tempe-raturas
(fig. 22.1), su alto mdulo elstico, alta conductividad trmica y
baja dilatacintrmica, los carburos se encuentran entre los
materiales para herramientas y matrices(dados) ms importantes,
verstiles y de costo efectivo para una amplia gama de
aplica-ciones. Los dos grupos ms importantes de carburos utilizados
en maquinado son el car-buro de tungsteno y el carburo de titanio.
Para diferenciarlos de las herramientasrecubiertas que se describen
en la seccin 22.6, a las herramientas simples de carburo seles
conoce comnmente como carburos no recubiertos.
22.4.1 Carburo de tungstenoPor lo comn, el carburo de tungsteno
(WC) consiste en partculas de carburo de tungstenoaglutinadas en
una matriz de cobalto. Estas herramientas se manufacturan mediante
tcni-cas de metalurgia de polvos (de ah el trmino carburos
sinterizados o carburos cementa-dos), como se seala en el ejemplo
17.4. Primero, las partculas de carburo de tungsteno secombinan con
cobalto en una mezcladora, produciendo un material compsito con
unamatriz de cobalto que circunda a las partculas de carburo.
Despus, estas partculas, quetienen un tamao de 1 a 5 mm (40 a 200
mpulg) se prensan y sinterizan para darles las formasde inserto
deseadas. Con frecuencia, los carburos de tungsteno se integran con
carburo detitanio y carburo de niobio para proporcionar propiedades
especiales al material.
La cantidad de cobalto presente, que por lo comn va de 6% a 16%,
afecta de ma-nera significativa las propiedades de las herramientas
de carburo de tungsteno. Al au-mentar el contenido de cobalto
disminuyen la resistencia, dureza y resistencia al desgastedel WC,
mientras que aumenta su tenacidad debido a la mayor tenacidad del
cobalto.Por lo general, las herramientas de carburo de tungsteno se
utilizan para cortar aceros,hierros fundidos y materiales no
ferrosos abrasivos y han reemplazado ampliamente alas herramientas
de HSS debido a su mejor desempeo.
-
654 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
Carburos micrograno. Las herramientas de corte tambin se
producen con carburosde granos de tamaos submicroscpicos y
ultrafinos (micrograno). El tamao del granose encuentra en el
intervalo de 0.2 a 0.8 mm (8 a 30 mpulg). Si se comparan con los
carbu-ros tradicionales descritos antes, estos materiales para
herramientas son ms fuertes, durosy resistentes al desgaste,
mejorando de esta manera la productividad. En una aplicacin,con
estos materiales se estn produciendo microbrocas con dimetros del
orden de 100 mm(0.004 pulgada), que se utilizan en la fabricacin de
tarjetas de circuitos microelectrni-cos (captulo 28).
Carburos con gradientes funcionales. En estas herramientas, la
composicin delcarburo en el inserto tiene un gradiente a travs de
la profundidad cercana a su superfi-cie, en lugar de ser uniformes,
como los insertos comunes de carburo. El gradiente tieneuna
distribucin gradual de composiciones y fases con funciones
similares a las descritascomo propiedades deseables de los
recubrimientos para herramientas de corte. Las pro-piedades
mecnicas graduadas eliminan las concentraciones de esfuerzos y
promueven lavida til y el desempeo de las herramientas. Sin
embargo, son ms costosas y no se pue-den justificar en todas las
aplicaciones.
22.4.2 Carburo de titanioEl carburo de titanio (TiC) consiste en
una matriz de nquel-molibdeno. Tiene una resis-tencia al desgaste
mayor que la del carburo de tungsteno, pero no es tan tenaz. El
carbu-ro de titanio es adecuado para maquinar materiales duros
(principalmente aceros ehierros fundidos) y para cortar a
velocidades superiores a las apropiadas para el carburode
tungsteno.
22.4.3 InsertosA las herramientas de acero de alta velocidad se
les da forma en una sola pieza y se recti-fican para
proporcionarles diversas caractersticas geomtricas (fig. 21.10a);
dichas herra-mientas incluyen insertos, brocas y cortadores para
fresado y para engranes. Una vez quese desgasta el filo de corte,
la herramienta tiene que retirarse de su soporte y reafilarse.
Aunque por lo general existe un suministro de herramientas
afiladas o reafiladas enlos talleres de herramientas, las
operaciones de cambio de herramientas son laboriosas eineficientes.
La necesidad de un mtodo ms efectivo ha llevado al desarrollo de
insertos,que son herramientas individuales de corte con varios
puntos de corte (fig. 22.2). Un in-serto cuadrado tiene ocho puntos
de corte y un inserto triangular tiene seis. En general,los
insertos se sujetan sobre el portaherramientas con diversos
mecanismos de sujecin(fig. 22.3). Aunque no se utilizan con tanta
frecuencia de esta manera, los insertos tam-bin se pueden soldar al
zanco de la herramienta, pero esta prctica se abandon desdehace
mucho tiempo.
FIGURA 22.2 Insertos tpicos de carburo con diver-sas formas y
rompevirutas; tambin existen insertos re-dondos, como puede verse
en las figuras 22.3c y 22.4.Los orificios en los insertos se han
estandarizado parahacerlos intercambiables en los
portaherramientas.Fuente: Cortesa de Kyocera Engineered Ceramics,
Inc.
-
22.4 Carburos 655
El mtodo preferido para asegurar un inserto es la sujecin, ya
que cada uno tienevarios puntos de corte y despus de que se ha
gastado un filo, el inserto se indexa (se gi-ra en su soporte) para
disponer de otro punto de corte. Adems de los ejemplos de
estafigura, existe una amplia variedad de otros portaherramientas
para aplicaciones especfi-cas, incluyendo los de insercin y remocin
rpida.
Existen varias formas de insertos o pastillas de carburo, tales
como cuadrado,tringulo, diamante y redonda. La resistencia del filo
de corte de un inserto depende desu forma. Cuanto menor sea el
ngulo comprendido o incluido (fig. 22.4), menor ser laresistencia
del filo. Para mejorar la resistencia del filo y evitar el
astillado, por lo generaltodos los filos de los insertos se honean
o asentan, achaflanan, o se producen con un des-canso negativo
(fig. 22.5). La mayora de los insertos se honean a un radio de casi
0.025mm (0.001 pulgada).
(c) (b)
Zanco
Asiento
Tornillo desujecin
Inserto
(a)
Inserto
Abrazadera
Tornillode sujecin
Asientoo calza
Portaherramientas
FIGURA 22.3 Mtodos de montaje de insertos en portaherramientas:
(a) Con abrazaderas, y (b) con tornillos de sujecin.(c) Ejemplos de
insertos montados con tornillos de sujecin sin rosca, que se
aseguran con tornillos laterales. Fuente: Cortesade Valenite.
908 1008 808 608
558 358
Aumento de la resistencia
Aumento en la viruta y en la facilidad de romperse
FIGURA 22.4 Resistencia relativa de los filos y tendencia al
astillado de los insertos de di-versas formas. La resistencia se
refiere al filo de corte indicado por los ngulos
comprendidos.Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.
Neg
ativo
co
n d
esca
nso
y ho
nead
o (as
entad
o)
Neg
ativo
co
n d
esca
nso
Neg
ativo
ho
nead
o
Neg
ativo
afila
do
Posi
tivo
con h
onea
do
Posi
tivo
afila
do
Resistencia creciente del filo
FIGURA 22.5 Preparacin del filo en los insertos para mejorarsu
resistencia. Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.
-
656 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
Los rompevirutas (descritos en la seccin 21.2.1) en los insertos
tienen los propsi-tos de (a) controlar el flujo de la viruta
durante el maquinado; (b) eliminar las virutas lar-gas, y (c)
reducir la vibracin y el calor generado. Existen insertos
comerciales de carburocon una amplia variedad de complejos
rompevirutas, ejemplos de los cuales se muestranen la figura 22.2.
La seleccin de un rompevirutas en particular depende de elementos
co-mo el avance y la profundidad de corte de la operacin, el
material de la pieza de trabajo,el tipo de viruta producida durante
el corte y si se trata de un corte de desbaste o de aca-bado. Con
el uso del diseo asistido por computadora y tcnicas de anlisis de
elementosfinitos se siguen desarrollando geometras ptimas para los
rompevirutas.
La rigidez de la mquina herramienta (seccin 25.3) es muy
importante cuando seutilizan herramientas de carburo. Los avances
cortos, las velocidades bajas y el traqueteoson dainos porque
tienden a daar el filo de corte de la herramienta. Los avances
cor-tos, por ejemplo, concentran las fuerzas y temperaturas ms
cerca de los filos de la herra-mienta, aumentando su tendencia al
astillado.
Las bajas velocidades de corte tienden a promover el soldado en
fro de la astilla ala herramienta. Los fluidos de corte tambin
deben aplicarse de manera continua y engrandes cantidades si se
utilizan para minimizar el calentamiento y enfriar la herramien-ta
en las operaciones de corte interrumpido.
22.4.4 Clasificacin de los carburosCon la manufactura global que
cada vez crece ms rpidamente y el mayor uso de las nor-mas ISO
(Organizacin Internacional para la Estandarizacin), los grados de
carburo seclasifican mediante las letras P, M y K (como se muestra
en las tablas 22.4 y 22.5) paranumerosas aplicaciones, incluyendo
los grados tradicionales C que se utilizan en EstadosUnidos. Debido
a la amplia variedad disponible de composiciones de los carburos,
deaplicaciones de maquinado y de materiales de piezas de trabajo
que comprenden, los es-fuerzos de la clasificacin ISO continan
siendo una tarea muy difcil. Esto es cierto enparticular cuando se
comparan los grados ISO con los grados tradicionales
clasificadospor el American National Standards Institute (ANSI),
que van de los grados C1 a C8.
22.5 Herramientas recubiertas
Como se indic en la parte I, el desarrollo de nuevas aleaciones
y materiales de ingenie-ra es continuo desde la dcada de 1960.
Estos materiales tienen una alta resistencia y te-nacidad, aunque
por lo general son abrasivos y qumicamente reactivos con
losmateriales de las herramientas. La dificultad de maquinar estos
materiales de manera efi-
TABLA 22.4
Clasificacin ISO de las herramientas de corte de carburos de
acuerdo con su uso
Smbolo Material de Cdigo Designacin en orden crecientela pieza
de color de la resistencia al desgaste y
de trabajo en orden decreciente detenacidad en cada categora
(en incrementos de 5)
P Metales ferrosos con virutas largas. Azul P01, P05P50M Metales
ferrosos con virutas largas Amarillo M10M40
o cortas, metales no ferrosos.K Metales ferrosos con virutas
cortas, Rojo K01, K10K40
metales no ferrosos, materialesno metlicos.
-
22.5 Herramientas recubiertas 657
TABLA 22.5
Clasificacin de los carburos de tungsteno de acuerdo con sus
aplicaciones de maquinado
Norma Nmero de Materiales Operacin Tipo de Caractersticas
de:
ISOclasificacin a ser de carburo
Corte CarburoANSI maquinados maquinado(grado)
K30K40 C1 Cast iron, Desbaste Wear-resistant Incremento de
Incrementononferrous grades; velocidad de corte dureza y
resistencia
K20 C2metals, and Propsito generally al desgastenonmetallic
general straight
K10 C3materials Acabado WC-Co requiring ligero with varyig
Incremento de resis-
K01 C4abrasion Acabado grain sizes Incremento de tencia y
contenidoresistance de precisin avance de aglutinante
P30P50 C5 Desbaste Crater-resistant Incremento de Incremento
deSteels and Propsito grades; various velocidad de corte dureza
y
P20 C6 steel alloys general WC-Co resistencia al
desgasterequiring Acabado compositions
P10 C7 crater and ligero with TiC deformation Acabado and/or TaC
Incremento de Incremento de resis-
P01 C8 resistance de precisin alloys avance tencia y contenido
de aglutinante
Nota: Las comparaciones ISO y ANSI son aproximadas.
ciente y la necesidad de mejorar el desempeo en el maquinado de
los materiales de inge-niera ms comunes ha llevado a importantes
desarrollos en herramientas recubiertas.Los recubrimientos tienen
propiedades nicas, como:
Menor friccin.
Mayor adhesin.
Mayor resistencia al desgaste y al agrietamiento.
Actan como una barrera para la difusin.
Mayor dureza en caliente y resistencia al impacto.
Las herramientas recubiertas pueden tener una vida til 10 veces
ms larga que lade las herramientas no recubiertas, permitiendo
mayores velocidades de corte y redu-ciendo as tanto el tiempo
requerido para las operaciones de maquinado como los costosde
produccin. Como se puede ver en la figura 22.6, el tiempo de
maquinado se ha redu-cido de manera consistente en un factor de ms
de 100 desde 1900. Esta mejora ha teni-do un impacto importante en
la economa de las operaciones de maquinado, junto condesarrollos
continuos en el diseo y la construccin de mquinas herramienta
modernasy sus controles computarizados. El resultado es que ahora
entre 40% y 80% de todas lasoperaciones de maquinado utilizan
herramientas recubiertas, en particular en el tornea-do, fresado y
taladrado. Algunas investigaciones indican que el uso de dichas
herramien-tas tiene mayor preponderancia en las grandes compaas que
en las pequeas.
22.5.1 Materiales y mtodos de recubrimientoLos materiales que
suelen utilizarse para recubrimiento son el nitruro de titanio
(TiN), elcarburo de titanio (TiC), el carbonitruro de titanio
(TiCN) y el xido de aluminio (Al2O3),cuyo espesor vara por lo
general de 2 a 15 mm (80 a 600 mpulg); se aplican sobre las
herra-mientas y los insertos mediante dos tcnicas, descritas con
mayor detalle en la seccin 34.6.
1. Deposicin qumica de vapor (CVD, por sus siglas en ingls),
incluyendo la depo-sicin qumica de vapor asistida por plasma.
2. Deposicin fsica de vapor (PVD, por sus siglas en ingls).
Hierro fundi-do, metales noferrosos y ma-teriales no me-
tlicos querequieren resis-
tencia a laabrasin
Grados resisten-tes al desgaste;en general slo
WC-Co con tamaos
variables de granos
Aceros y aceros aleadosque requierenresistencia a la
craterizacin
y a la deformacin
Grados resistentesal desgaste;
diversas composiciones deWC-Co con TiCy/o aleaciones de
TaC
-
658 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
El proceso CVD es el mtodo ms utilizado para las herramientas de
carburo conrecubrimientos de fases mltiples y cermicos; ambos se
describen despus en esta sec-cin. Por otro lado, los carburos
recubiertos mediante PVD con recubrimientos de TiNtienen ms
resistencia en el filo de corte, menos friccin y menor tendencia a
formar unborde acumulado o recrecido; son ms lisos y su espesor es
ms uniforme, por lo generalde 2 a 4 mm (80 a 160 mpulg). Otra
tecnologa (que se emplea en particular para los re-cubrimientos de
fases mltiples) es la deposicin qumica de vapor de temperatura
media(MTCVD, por sus siglas en ingls), desarrollada para maquinar
hierro dctil (nodular) yaceros inoxidables y para proporcionar una
resistencia mayor a la propagacin de lasgrietas que la de los
recubrimientos CVD.
Los recubrimientos para herramientas de corte y matrices (dados)
deben tener lassiguientes caractersticas generales:
Alta dureza a elevadas temperaturas, para resistir el
desgaste.
Estabilidad qumica y neutralidad con respecto al material de la
pieza de trabajo,para reducir el desgaste.
Baja conductividad trmica, para evitar la elevacin de la
temperatura en el sustrato.
Compatibilidad y buena unin o adherencia con el sustrato, para
evitar la desca-macin o astillado.
Poca o nada de porosidad en el recubrimiento, para mantener su
integridad y resis-tencia.
La efectividad de los recubrimientos se ve realzada por la
dureza, tenacidad y altaconductividad trmica del sustrato (que
puede ser carburo o acero de alta velocidad). El ho-neado de los
filos de corte es un procedimiento importante para mantener la
resistencia delrecubrimiento; en caso contrario, ste se puede
descascarar o astillar en los filos y esquinas.
Recubrimientos de nitruro de titanio. Los recubrimientos de
nitruro de titanio tie-nen bajos coeficientes de friccin, dureza
elevada, resistencia a temperaturas altas y buenaadhesin al
sustrato. En consecuencia, mejoran mucho la vida til de las
herramientas tan-to de acero de alta velocidad como de carburo, los
insertos para brocas y los cortadores. El
Acero al carbono
Acero de alta velocidad
Aleaciones con base de cobalto fundido
Carburos cementados
Grados mejorados de carburos
Grados de las primeras herramientas recubiertas Grados de los
primeros dobles recubrimientos
Grados de los primeros triples recubrimientos
1900 10 20 30 40 50 60 70 80 90
100
26
15
6
3
1.51
0.7
Tiem
po d
e m
aqui
nado
(min)
Ao00
0.5 Triple recubrimiento graduado por funcin
FIGURA 22.6 Tiempo relativo requerido para maquinar con diversos
materialespara herramientas de corte, indicando el ao en que dichos
materiales se introduje-ron por primera vez. Obsrvese que el tiempo
de maquinado se ha reducido en dosrdenes de magnitud en 100 aos.
Fuente: Cortesa de Sandvik.
-
22.5 Herramientas recubiertas 659
desempeo de las herramientas recubiertas con nitruro de titanio
(de color dorado) es bue-no a mayores velocidades de corte y
avances, en tanto que el desgaste del flanco es signifi-cativamente
menor que el de las herramientas sin recubrimiento (fig. 22.7); las
superficiesde los flancos se pueden rectificar otra vez despus del
uso, ya que el nuevo rectificado dela herramienta no retira el
recubrimiento de la cara de ataque de la herramienta. Sin em-bargo,
las herramientas recubiertas no se comportan muy bien a bajas
velocidades de cor-te porque el recubrimiento puede desgastarse
debido a la adhesin de la viruta. Por lotanto, es importante usar
fluidos apropiados de corte para evitar la adhesin.
Recubrimientos de carburo de titanio. Los recubrimientos de
carburo de titaniosobre insertos de carburo de tungsteno tienen
alta resistencia al desgaste del flanco almaquinar materiales
abrasivos.
Recubrimientos cermicos. Debido a su neutralidad qumica, baja
conductividadtrmica, resistencia a las temperaturas elevadas y
resistencia al desgaste del crter y delflanco, los cermicos son
adecuados para recubrir materiales para herramientas. El
recu-brimiento cermico ms utilizado es el xido de aluminio (Al2O3).
Sin embargo, ya queson muy estables (no reactivos qumicamente), por
lo general, los recubrimientos de xi-dos se unen con debilidad al
sustrato.
Recubrimientos de fases mltiples. Las propiedades deseables de
los recubri-mientos, recin descritas, se pueden combinar y
optimizar con el uso de recubrimientosde fases mltiples o
multifsicos. Ahora existen herramientas de carburos con dos o
trescapas de tales recubrimientos y son particularmente efectivas
en el maquinado de hierrosfundidos y aceros.
Por ejemplo, primero se puede depositar TiC sobre el sustrato,
seguido de Al2O3y despus TiN. La primera capa debe unirse bien al
sustrato; la exterior tiene que resistirel desgaste y presentar una
baja conductividad trmica; la intermedia debe unirse bien yser
compatible con las otras dos.
Las aplicaciones tpicas de las herramientas con recubrimientos
de capas mltiplesson las siguientes:
1. Corte de alta velocidad y continuo: TiC/Al2O3.
2. Corte de trabajo rudo y continuo: TiC/Al2O3/TiN.
3. Corte interrumpido ligero: TiC/TiC + TiN/TiN.
Tambin existen recubrimientos en capas mltiples alternas. El
espesor de estas ca-pas es de 2 a 10 mm, menores que los
recubrimientos regulares de fases mltiples (fig.22.8). Se usan
recubrimientos delgados porque su dureza aumenta al disminuir el
tamaode grano, un fenmeno similar al incremento de la resistencia
de los metales cuando se re-duce el tamao de grano. Por lo tanto,
las capas delgadas son ms duras que las gruesas.
Recubierta con TiN
Sin recubrir
Desgaste del flanco
Cara o superficie de ataque
Herramienta
FIGURA 22.7 Esquema de los patrones caractersticos de desgaste
en herramientas de ace-ro de alta velocidad sin recubrir y con
recubrimiento de nitruro de titanio. Obsrvese que eldesgaste del
flanco es significativamente menor en la herramienta
recubierta.
-
660 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
Una herramienta tpica recubierta con fases mltiples puede
constar de las siguien-tes capas, empezando desde arriba, junto con
sus funciones fundamentales:
1. TiN: baja friccin.
2. Al2O3: alta estabilidad trmica.
3. TiCN: reforzado con fibra, tiene un buen equilibrio de
resistencia al desgaste delcrter y del flanco, en particular para
corte interrumpido.
4. Sustrato delgado de carburo: alta tenacidad a la
fractura.
5. Sustrato grueso de carburo: duro y resistente a la deformacin
plstica a tempera-turas elevadas.
Recubrimientos de diamante. En las secciones 8.7 y 34.13 se
indican las propieda-des y aplicaciones del diamante, los
recubrimientos de diamante y el carbono similar al dia-mante,
respectivamente, y en la seccin 22.9 se describe su uso como
recubrimiento paraherramientas de corte, sobre todo en los insertos
de carburo de tungsteno y nitruro de sili-cio. Las herramientas
recubiertas con diamante son muy efectivas en el maquinado de
me-tales no ferrosos y materiales abrasivos, como las aleaciones de
aluminio que contienensilicio, materiales compsitos reforzados con
fibras y con matriz metlica, y grafito. Su vi-da til ha mejorado
hasta 10 veces ms respecto de otras herramientas recubiertas.
Existen insertos recubiertos con diamante comerciales, en los
que, mediante las tc-nicas PVD y CVD, se depositan delgadas
pelculas sobre sustratos. Las pelculas gruesasse obtienen haciendo
crecer una hoja grande de diamante puro, que despus se corta
conlser para darle forma y soldarla a un inserto de carburo. Tambin
se han desarrollado re-cubrimientos de diamante nanocristalino en
multicapas, con capas de unin de diamanteque dan resistencia al
recubrimiento. Como en todos los recubrimientos, es importan-te
desarrollar una buena adherencia de la pelcula de diamante al
sustrato y minimizar ladiferencia de expansin trmica entre el
diamante y los materiales del sustrato.
22.5.2 Diversos materiales de recubrimientoEn la mejora del
desempeo de las herramientas recubiertas se han producido
importan-tes avances. El carbonitruro de titanio (TiCN) y el
nitruro de aluminio titanio (TiAlN)son efectivos para cortar aceros
inoxidables. El TiCN (que se deposita mediante tcnicas
TiN
TiN
TiN
TiC, N
TiC, N Sustrato de carburo
Al2O3
Al2O3
Al2O3
FIGURA 22.8 Recubrimientos de etapas mltiples sobre un sustrato
de carburo de tungsteno.Capas muy delgadas de nitruro de titanio
separan tres capas alternadas de xido de aluminio. Sehan producido
insertos hasta con 13 capas de recubrimiento. El espesor de los
recubrimientos seencuentra por lo comn dentro del intervalo de 2 a
10 mm. Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.
-
22.6 Cermicos base almina 661
de deposicin fsica de vapor) es ms duro y tenaz que el TiN y se
puede utilizar sobreherramientas de carburos y de acero de alta
velocidad. El TiAlN es efectivo para maqui-nar aleaciones
aeroespaciales. Los recubrimientos con base de cromo, como el
carburode cromo (CrC), son efectivos para maquinar metales ms
blandos que tienden a adhe-rirse a la herramienta de corte, como el
aluminio, cobre y titanio. Otros nuevos materia-les son el nitruro
de zirconio (ZrN) y el nitruro de hafnio (HfN). Se
requierenconsiderables datos experimentales antes de que se puedan
evaluar totalmente estos re-cubrimientos y su desempeo para
aplicaciones apropiadas en el maquinado.
Los desarrollos ms recientes incluyen (a) recubrimientos
nanocapa, entre ellos car-buro, boruro, nitruro, xido o alguna
combinacin (ver tambin la seccin 6.16), y (b) re-cubrimientos de
compsitos, que utilizan varios materiales. La dureza de algunos de
estosrecubrimientos se aproxima a la del nitruro de boro cbico;
aunque an se encuentran enetapas experimentales, se espera que
tengan los beneficios combinados de diferentes tiposde
recubrimientos, as como aplicaciones ms amplias en las operaciones
de maquinado.
22.5.3 Implantacin de ionesEn este proceso se introducen iones
dentro de la superficie de la herramienta de corte,mejorando sus
propiedades superficiales (seccin 34.6) sin cambiar sus
dimensiones. Sehan utilizado con xito herramientas de carburo con
implantes de iones de nitrgeno enaceros aleados e inoxidables. La
implantacin de herramientas con iones de xenn tam-bin se encuentra
en desarrollo.
22.6 Cermicos base almina
Los materiales para herramientas fabricados de material cermico,
que se presentaron enla dcada de 1950, consisten fundamentalmente
en xido de aluminio de alta pureza degrano fino (ver tambin la
seccin 8.2). Se prensan en fro para darles la forma del inser-to a
alta presin y se sinterizan a elevada temperatura; al producto
final se le conoce co-mo cermicos blancos (prensados en fro). La
adicin de carburo de titanio y xido dezirconio mejora propiedades
como la tenacidad y la resistencia al impacto trmico.
Las herramientas de material cermico con base de almina tienen
una resistenciamuy elevada a la abrasin y alta dureza en caliente
(fig. 22.9). Qumicamente, son ms es-tables que los aceros de alta
velocidad y que los carburos, por lo que tienden menos a ad-herirse
a los metales durante el corte y a formar bordes acumulados o
recrecidos. En
Res
iste
ncia
en
calie
nte
yre
sist
enci
a al
des
gast
e
Resistencia y tenacidad
Diamante, nitruro de boro cbicoxido de aluminio (HIP)xido de
aluminio 1 30% de carburo de titanioNitruro de silicio
CermetsCarburos recubiertos
Carburos
Aceros de altavelocidad
FIGURA 22.9 Intervalos de propiedades mecnicas para diversos
grupos demateriales para herramientas. Ver tambin las tablas 22.1 a
22.5.
-
662 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
consecuencia, al cortar hierros fundidos y aceros se obtiene un
buen acabado superficial conlas herramientas a base de cermicos.
Sin embargo, stos no tienen tenacidad y su usopuede provocar la
falla prematura de la herramienta por astillado o por falla
catastrfica.
Existen insertos cermicos en formas similares a las de los
insertos de carburo. Sonefectivos en alta velocidad y en
operaciones de corte interrumpido, como el acabado osemiacabado
mediante torneado. Para reducir el impacto trmico, el corte debe
realizarseen seco o con una copiosa cantidad de fluido de corte,
aplicado como una corriente esta-ble. Las aplicaciones inapropiadas
o intermitentes del fluido pueden provocar un impactotrmico y la
fractura de la herramienta a base de cermicos.
La forma de la herramienta a base de cermicos y su arreglo son
importantes. Porlo general se prefieren ngulos negativos de ataque
(ngulos comprendidos grandes) pa-ra evitar el astillado debido a la
pobre resistencia a la tensin de los cermicos. La fallade la
herramienta se puede reducir aumentando la rigidez y la capacidad
de amortigua-miento de las mquinas herramienta, montajes y
dispositivos de sujecin del trabajo, re-duciendo as la vibracin y
el traqueteo.
Cermets. Los cermets (de las palabras cermico y metal) se
utilizaron por primera vezen la dcada de 1950 y consisten en
partculas de material cermico en una matriz met-lica. Se
presentaron en la dcada siguiente y son materiales cermicos negros
o prensadosen caliente (carbxidos). Un cermet tpico tiene 70% de
xido de aluminio y 30% de car-buro de titanio; otros cermets
contienen carburo de molibdeno, carburo de niobio y carbu-ro de
tantalio. Aunque poseen estabilidad qumica y resistencia a la
formacin de bordesacumulados, su fragilidad y alto costo han
limitado su uso ms amplio. Refinamientosposteriores de estas
herramientas han mejorado su resistencia, tenacidad y
confiabilidad.Su desempeo se encuentra entre el de los cermicos y
el de los carburos, y ha sido ade-cuado para cortes ligeros de
desbaste y cortes de acabado de alta velocidad. Los rompe-virutas
son importantes para los insertos de cermets. Aunque se pueden
recubrir, losbeneficios de los cermets recubiertos son discutibles,
ya que la mejora en la resistencia aldesgaste parece marginal.
22.7 Nitruro de boro cbico
Despus del diamante, el nitruro de boro cbico (cBN) es el
material ms duro que exis-te. Presentado en 1962 con el nombre
comercial de Borazn, se produce uniendo una ca-pa de 0.5 mm a 1 mm
(0.02 a 0.04 pulgada) de nitruro de boro cbico policristalino a
unsustrato de carburo mediante sinterizacin a alta presin y alta
temperatura. En tantoque el carburo proporciona resistencia al
impacto, la capa de cBN aporta una resistenciamuy elevada al
desgaste y resistencia del filo de corte (fig. 22.10). Las
herramientas denitruro de boro cbico tambin se producen en tamaos
pequeos, sin sustrato.
Soldadura fuerte
Capa de nitrurode boro cbicopolicristalino o dediamante
Sustrato de carburo
Inserto de carburode tungsteno
FIGURA 22.10 Inserto de nitruro de boro cbico policristalino o
de dia-mante sobre carburo de tungsteno.
-
22.9 Diamante 663
A temperaturas elevadas, el cBN es qumicamente inerte al hierro
y al nquel (deah que no exista desgaste debido a la difusin). Su
resistencia a la oxidacin es elevada,por lo que resulta adecuado
para cortar ferrosos endurecidos y aleaciones de alta tempe-ratura
(ver maquinado duro en la seccin 25.6). Tambin se utiliza como
abrasivo. Co-mo las herramientas de cBN son frgiles, la rigidez de
la mquina y de los soportes esimportante para impedir la vibracin y
el traqueteo. Pueden evitarse adems el astilladoy el agrietamiento
por los impactos trmicos si el maquinado se realiza en seco (esto
es,deben evitarse los fluidos de corte), sobre todo en las
operaciones de corte interrumpido(como el fresado), que somete la
herramienta a ciclos trmicos de manera repetitiva.
22.8 Cermicos con base de nitruro de silicio
Desarrollados en la dcada de 1970, los materiales para
herramientas de cermico conbase de nitruro de silicio (SiN)
consisten en nitruro de silicio con diversas adiciones dexido de
aluminio, xido de itrio y carburo de titanio. Estas herramientas
tienen tenaci-dad, dureza en caliente y buena resistencia al
impacto trmico. Un ejemplo de materialcon base de SiN es el sialn,
cuyo nombre proviene de los elementos que lo conforman:silicio,
aluminio, oxgeno y nitrgeno. Posee una resistencia al impacto
trmico mayorque el nitruro de silicio y se recomienda para maquinar
hierros fundidos y superaleacio-nes con base de nquel a velocidades
intermedias de corte. Sin embargo, debido a su afi-nidad qumica con
el hierro a temperaturas elevadas, las herramientas con base de
SiNno son adecuadas para maquinar aceros.
22.9 Diamante
El diamante es la sustancia ms dura que se conoce (ver tambin la
seccin 8.7); como he-rramienta de corte tiene propiedades
deseables, entre ellas baja friccin, alta resistencia aldesgaste y
la capacidad de mantener su filo de corte. El diamante se utiliza
cuando se re-quiere un buen acabado superficial y precisin
dimensional, en particular con las aleacio-nes no ferrosas blandas
y con los materiales abrasivos metlicos y no metlicos (sobretodo
algunas aleaciones de aluminio-silicio). En la actualidad se usan
ampliamente dia-mantes sintticos o industriales, ya que el natural
tiene defectos y su desempeo puede serimpredecible, como en el caso
de los abrasivos empleados en ruedas de esmerilado.
Para aplicaciones especiales se pueden utilizar diamantes
monocristalinos de variosquilates. Sin embargo, se han sustituido
en gran medida por herramientas de diamantepolicristalino (PCD, por
sus siglas en ingls), llamados compactos, que tambin se usancomo
matrices para estirado de alambre fino. Estas herramientas de
diamante consistenen cristales sintticos muy pequeos fundidos
mediante un proceso de alta presin y alta
FIGURA 22.11 Insertos con puntas de nitruro de boro
cbicopolicristalino (fila superior) e insertos de cBN slido
policristalino(fila inferior). Fuente: Cortesa de Valenite.
-
664 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
temperatura, a un espesor de entre 0.5 mm y 1 mm (0.02 a 0.04
pulgada), aglutinados enun sustrato de carburo; este producto es
similar a las herramientas cBN (fig. 22.11). Laorientacin aleatoria
de los cristales de diamante evita la propagacin de grietas a lo
lar-go de la estructura, mejorando su tenacidad de manera
significativa.
El diamante es frgil, por lo que son importantes la forma y el
afilado de la herra-mienta. En general se utilizan ngulos pequeos
de ataque para proveer un filo de cortefuerte (debido a los ngulos
mayores comprendidos). Se tiene que poner atencin particularen el
montaje y la orientacin apropiada de los cristales, a fin de
obtener una vida til pti-ma de la herramienta. El desgaste puede
ocurrir por microastillado (a causa de los esfuerzostrmicos y la
oxidacin) y la transformacin a carbono (provocada por el calor
generadodurante el corte). Las herramientas de diamante se pueden
emplear en forma satisfactoriacasi a cualquier velocidad, pero son
ms adecuadas para cortes de acabado ligero, ininte-rrumpido. Con el
propsito de minimizar la fractura de la herramienta, el diamante
mono-cristalino debe reafilarse en cuanto se desafile. Debido a su
fuerte afinidad qumica atemperaturas elevadas (lo que produce
difusin), no se recomienda el diamante para maqui-nar aceros
simples al carbono o aleaciones de titanio, nquel y cobalto. Tambin
se usa co-mo abrasivo en las operaciones de rectificado y pulido y
como recubrimientos.
22.10 Materiales para herramientas reforzados con triquitas
Para mejorar an ms el desempeo y la resistencia al desgaste de
las herramientas decorte (en particular cuando se maquinan nuevos
materiales y compsitos), se ha tenidoun avance continuo en el
desarrollo de nuevos materiales para herramientas con propie-dades
mejoradas, como:
Alta tenacidad a la fractura.
Resistencia al choque trmico.
Resistencia en el filo de corte.
Resistencia al deslizamiento.
Dureza en caliente.
Los avances incluyen el uso de triquitas como fibras de refuerzo
en los materialespara herramientas de corte. Ejemplos de esto son
(a) las herramientas con base de nitru-ro de silicio reforzadas con
triquitas de carburo de silicio, y (b) las herramientas con ba-se
de xido de aluminio reforzadas con 25% a 40% de triquitas de
carburo de silicio, enocasiones con la adicin de xido de zirconio
(ZrO2). Por lo comn, las triquitas tienenuna longitud de 5 a 100 mm
y un dimetro de 0.1 a 1 mm. La alta reactividad del carbu-ro de
silicio con los metales ferrosos hace que las herramientas
reforzadas con SiC seaninadecuadas para maquinar hierros y
aceros.
22.11 Costos y reacondicionamiento de las herramientas
Los costos de las herramientas varan ampliamente, dependiendo
del material, el tama-o, la forma, los rompevirutas y la calidad.
El costo de un inserto comn de 0.5 pulgada(12.5 mm) es de alrededor
de (a) $2 a $10 dlares para carburos sin recubrir; (b) $6 a$10 para
carburos recubiertos; (c) $8 a $12 para cermicos, (d) $50 a $60
para carburosrecubiertos con diamante; (e) $60 a $90 para nitruro
de boro cbico, y (f) $90 a $100para insertos con punta de
diamante.
Despus de revisar los costos comprendidos en el maquinado y
considerando todoslos aspectos implcitos en la operacin total, se
puede ver que el costo de un inserto indi-
-
22.12 Fluidos de corte 665
vidual es insignificante. Se estima que los costos de
herramental en el maquinado son de2% a 4% de los costos de
manufactura. Esta pequea cantidad obedece al hecho de queuna sola
herramienta de corte puede retirar mucho material antes de ser
indexada y fi-nalmente reciclada. En la seccin 21.5 se vio que la
vida til esperada de la herramientapuede estar en el intervalo de
30 a 60 minutos. Entonces, si se considera que un insertocuadrado
tiene ocho filos de corte, esto indica que la herramienta puede
durar muchotiempo antes de que se le retire de la mquina y se le
reemplace.
Las herramientas de corte se pueden reacondicionar afilndolas
mediante rectifica-doras de herramientas y cortadores en un taller
que tenga monturas especiales. Esta opera-cin puede efectuarse en
forma manual o en rectificadoras de herramientas y
cortadorescontrolados por computadora. Tambin se usan mtodos
avanzados de maquinado, comose indica en el captulo 27. El
reacondicionamiento de las herramientas recubiertastambin se
realiza recubrindolas, por lo general en instalaciones especiales
para estospropsitos. Es importante que las herramientas
reacondicionadas tengan las mismas ca-ractersticas geomtricas que
las originales. Con frecuencia tiene que decidirse si
resultaeconmico reacondicionar una o dos veces las herramientas,
sobre todo cuando los costosde los insertos comunes no constituyen
un elemento bsico en la operacin total. El recicla-miento de las
herramientas es un factor que siempre debe considerarse, en
especial si con-tienen materiales costosos y estratgicamente
importantes, como el tungsteno y el cobalto.
22.12 Fluidos de corte
Los fluidos de corte se utilizan ampliamente en las operaciones
de maquinado para obte-ner los siguientes resultados:
Reducir la friccin y el desgaste, mejorando as la vida til de la
herramienta y elacabado superficial de la pieza de trabajo.
Enfriar la zona de corte, mejorando as la vida til de la
herramienta y reduciendola temperatura y la distorsin trmica de la
pieza de trabajo.
Reducir las fuerzas y el consumo de energa.
Retirar las virutas de la zona de corte, evitando que
interfieran en el proceso decorte, en particular en operaciones
como el taladrado y el machueleado.
Proteger la superficie maquinada de la corrosin ambiental.
Segn el tipo de maquinado, el fluido de corte necesario puede
ser un refrigerante, unlubricante o ambos. La efectividad de los
fluidos de corte depende de factores como el tipode operacin de
maquinado, los materiales de la herramienta y de la pieza de
trabajo, la ve-locidad de corte y el mtodo de aplicacin. El agua es
un excelente refrigerante y puede re-ducir de manera eficaz las
altas temperaturas desarrolladas en la zona de corte; sinembargo,
no es un lubricante efectivo, ya que no reduce la friccin. Adems,
provoca la oxi-dacin de las piezas de trabajo y de los componentes
de la mquina herramienta. Como hemos visto, la lubricacin eficaz es
un factor importante en las operaciones de maquinado.
La necesidad de un fluido de corte depende de la severidad de la
operacin de maqui-nado en particular, que puede definirse como el
nivel de temperaturas y fuerzas encontra-das, la tendencia a la
formacin de un filo acumulado, la facilidad con que las
virutasproducidas pueden retirarse de la zona de corte y cun
efectivamente se pueden aplicar losfluidos a la regin apropiada de
la interfaz herramienta-viruta. La severidad relativa delos
procesos de maquinado se manifiesta as, en orden ascendente:
aserrado, torneado, fre-sado, taladrado, corte de engranes, corte
de roscas, machueleado y brochado interno.
Sin embargo, existen operaciones en las que la accin de
enfriamiento de los flui-dos de corte puede ser daina: se ha
demostrado que pueden hacer que la viruta se vuel-va ms rizada,
concentrando entonces el calor cerca de la punta de la herramienta,
lo quereduce la vida til de sta. Y aun ms importante, en las
operaciones de corte interrum-pido, como el fresado con cortadores
de dientes mltiples, el enfriamiento de la zona de
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666 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
corte provoca ciclos trmicos en los dientes del cortador, lo que
originara grietas trmi-cas debidas a fatiga trmica o a impacto
trmico.
Sin embargo, desde mediados de la dcada de 1990 ha habido una
tendencia im-portante hacia el maquinado casi en seco, lo que
significa un uso mnimo de fluidos decorte, as como el maquinado en
seco; en la seccin 22.12.1 se analizan estas tendencias.
Accin del fluido de corte. En la seccin 33.6 se discuten con
mayor detalle los me-canismos bsicos de lubricacin en las
operaciones de trabajado de los metales. En estepunto describiremos
brevemente los mecanismos por los que los fluidos de corte
afectanlas operaciones de maquinado. No se comprende de inmediato
cmo un fluido de cortepuede penetrar la importante cara de ataque
de la herramienta y afectar el proceso decorte. Los estudios han
demostrado que dicho fluido gana el acceso a la interfaz
herra-mienta-viruta deslizndose por los costados de la viruta
mediante la accin de capilari-dad de la red de asperezas de la
superficie, que se engarzan una con otra en la interfaz.Debido al
pequeo tamao de esta red de capilaridad, el fluido de corte debe
tener un ta-mao molecular pequeo y poseer caractersticas
humectantes apropiadas (tensin su-perficial). En consecuencia, por
ejemplo, la grasa no puede ser un lubricante eficaz en elmaquinado,
pero los aceites de bajo peso molecular suspendidos en agua
(emulsiones)son muy efectivos.
EJEMPLO 22.2 Efectos de los fluidos de corte en el maquinado
Se est realizando una operacin de maquinado con un fluido de
corte que es un lu-bricante eficaz. Qu cambiara en la mecnica de la
operacin de corte si se retirarael fluido?Solucin Como el fluido de
corte es un buen lubricante, al retirarlo se producirala siguiente
cadena de eventos:
a. Aumenta la friccin en la interfaz herramienta-viruta.
b. Disminuye el ngulo del plano cortante, de acuerdo con la
ecuacin 21.3.
c. Aumenta la deformacin cortante, como se ve en la ecuacin
21.2.
d. La viruta se vuelve ms gruesa.
e. Es posible que se forme un borde acumulado.
Como consecuencia de estos cambios, ocurrirn los siguientes
eventos:
a. Aumentar la energa de cizallamiento o de cortante en la zona
primaria.
b. Aumentar la energa de friccin en la zona secundaria.
c. Aumentar la energa total.
d. Aumentar la temperatura en la zona de corte, provocando un
mayor desgastede la herramienta.
e. Comenzar a deteriorarse el acabado superficial y ser difcil
mantener las tole-rancias dimensionales debido al incremento de
temperatura y a la expansintrmica de la pieza de trabajo durante el
maquinado.
Tipos de fluidos de corte. En la seccin 33.7 se describen las
caractersticas y apli-caciones de los fluidos para el trabajo de
los metales. Como un adelanto, a continuacinse presentan los cuatro
tipos de fluidos de corte que suelen utilizarse en las
operacionesde maquinado:
1. Aceites (tambin llamados aceites simples), incluyendo aceites
minerales, animales,vegetales, compuestos y sintticos, que por lo
general se utilizan en operaciones debaja velocidad donde el
incremento de la temperatura no es significativo.
-
22.12 Fluidos de corte 667
2. Emulsiones (tambin llamadas aceites solubles), que son una
mezcla de aceite,agua y aditivos, se utilizan por lo regular en
operaciones de alta velocidad porqueel incremento de temperatura es
significativo. La presencia del agua hace que lasemulsiones sean
refrigerantes muy eficaces.
3. Los semisintticos son emulsiones qumicas que contienen un
poco de aceite mine-ral diluido en agua y aditivos que reducen el
tamao de las partculas de aceite, ha-cindolas ms eficaces.
4. Los sintticos son productos qumicos con aditivos, diluidos en
agua y sin aceite.
Debido a la compleja interaccin del fluido de corte, los
materiales de la pieza detrabajo, la temperatura, el tiempo y las
variables del proceso de corte, no se puede gene-ralizar la
aplicacin de fluidos. En los captulos 23 y 24 se dan
recomendaciones sobrefluidos de corte para operaciones especficas
de maquinado, recomendaciones que tam-bin hacen muchos proveedores
de fluidos para el trabajo de los metales.
Mtodos de aplicacin de los fluidos de corte. Existen cuatro
mtodos bsicospara aplicar los fluidos de corte en el maquinado:
1. Inundacin o enfriamiento por inundacin. ste es el mtodo ms
comn (semuestra en la fig. 22.12), en el cual se indican buenas y
malas prcticas de inunda-cin. Los gastos comnmente varan de 10
L/min (3 gal/min) para herramientas deun solo punto a 225 L/min (60
gal/min) para cortadores con dientes mltiples, co-mo en el fresado.
En algunas operaciones, como el taladrado y el fresado, se
utili-zan presiones del fluido de 700 a 14,000 kPa (100 a 2000 psi)
a fin de retirar lasvirutas producidas para evitar que interfieran
en la operacin.
2. Niebla o enfriamiento por niebla. Este tipo de enfriamiento
suministra fluido a lasreas inaccesibles, de modo semejante al uso
de una lata de aerosol, y proporcionauna mejor visibilidad de la
pieza de trabajo que se est maquinando (si se comparacon el
enfriamiento por inundacin). Es eficaz con fluidos con base de agua
a pre-siones de aire de 70 a 600 kPa (10 a 80 psi). Sin embargo,
tiene una capacidad de
(c) Buena
Disco derectificado
(d)
Buena
Broca
Deficiente
(b)
DeficienteCortador parafresado o fresa
Buena(a)
Herramienta
DeficienteBueno
FIGURA 22.12 Esquema de mtodos apropiados para la aplicacin de
fluidos de corte(inundacin) en diversas operaciones de maquinado:
(a) torneado; (b) fresado; (c) rectificadode roscas, y (d)
taladrado.
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668 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
enfriamiento limitada. La aplicacin de la niebla requiere
ventilacin para evitarque el operador y otras personas cercanas
inhalen partculas presentes en el fluido.
3. Sistemas de alta presin. Con la velocidad y potencia
crecientes de las modernasmquinas herramienta controladas por
computadora, la generacin de calor se haconvertido en un factor
importante. Es muy efectivo el uso de sistemas de enfriamien-to
refrigerados a alta presin para aumentar la velocidad de disipacin
de calor de lazona de corte. Tambin se usan presiones elevadas para
entregar el fluido de cortemediante boquillas especialmente
diseadas que dirigen un poderoso chorro de fluidoa la zona, en
particular dentro de la cara de relevo o de claro de la herramienta
(verfig. 21.3). Las presiones empleadas, que por lo general se
encuentran en el intervalode 5.5. a 35 MPa (800 a 5000 psi), actan
como rompevirutas en situaciones en lasque las virutas producidas
podran ser largas y continuas, interfiriendo en la ope-racin de
corte. Para evitar daos a la superficie de la pieza de trabajo por
el impactode cualquier partcula presente en el chorro de alta
presin, el tamao de los con-taminantes en el refrigerante no debe
exceder las 20 mm (800 mpulg). El filtradoapropiado y continuo del
fluido tambin es fundamental para mantener la calidad.
4. Mediante el sistema de la herramienta de corte. Se ha
puntualizado la severidad dediversas operaciones de maquinado
respecto de las dificultades de suministrar flui-dos dentro de la
zona de corte y retirando las virutas. Para una aplicacin ms
efi-caz, se pueden producir estrechos pasajes tanto en las
herramientas de corte comoen los portaherramientas para aplicar los
fluidos de corte a alta presin. Hemosmostrado dos versiones de este
mtodo: (a) el taladrado de caones, mostrado enla figura 23.24, con
un pequeo orificio largo a travs del cuerpo de la propia bro-ca, y
(b) barras de mandrinado, mostradas en la figura 23.17a, donde
existe un lar-go orificio a travs del zanco (portaherramientas) en
el que se sujeta el inserto. Sehan desarrollado diseos similares
para herramientas de corte e insertos y para su-ministrar fluidos
de corte a travs del husillo de la mquina herramienta.
Efectos de los fluidos de corte. La seleccin de un fluido de
corte tambin debe in-cluir factores como sus efectos sobre:
El material de la pieza de trabajo y las mquinas
herramienta.
Consideraciones biolgicas.
El medio ambiente.
Al seleccionar un fluido de corte, se debe considerar si el
componente maquinadose someter a esfuerzos y a efectos adversos, lo
que tal vez produzca agrietamiento poresfuerzo-corrosin. Esto es
importante, en particular para los fluidos de corte con aditi-vos
de azufre y cloro. Por ejemplo, (a) no deben utilizarse fluidos que
contengan azufrecon las aleaciones de base nquel, y (b) no deben
usarse fluidos que tengan cloro con eltitanio. Los fluidos de corte
tambin pueden afectar de manera adversa los componentes dela mquina
herramienta, por lo que debe considerarse su compatibilidad con
diversosmateriales metlicos y no metlicos en la mquina herramienta.
Las partes maquinadastienen que limpiarse y lavarse para retirar
cualquier residuo del fluido de corte, como seindica en la seccin
34.16. Esta operacin puede ser significativa en tiempo y costo.
Porconsiguiente, la tendencia es emplear fluidos de baja
viscosidad, con base de agua, parafacilitar la limpieza y el
filtrado.
Es comn que el operador de la mquina herramienta est muy cerca
de los fluidosde corte, por lo que los efectos de este contacto
sobre su salud deben ser una preocupa-cin primaria. La niebla, las
emanaciones, el humo y los olores provenientes de los fluidospueden
provocar severas reacciones en la piel y problemas respiratorios,
en particular si seusan fluidos con constituyentes qumicos, como
azufre, cloro, fsforo, hidrocarburos,biocidas y diversos aditivos.
Se han obtenido grandes avances para asegurar que los flui-
-
22.12 Fluidos de corte 669
dos de corte se utilicen con seguridad en las plantas
manufactureras, teniendo en mente lareduccin o eliminacin de su uso
mediante la adopcin de las tendencias ms recientesen las tcnicas de
maquinado en seco, o casi en seco (ver seccin 21.12.1).
Los fluidos de corte (y otros fluidos para el trabajo de los
metales que se utilizan enlas operaciones de manufactura) pueden
sufrir cambios qumicos cuando se emplean re-petidamente a lo largo
del tiempo. Es posible que estos cambios se deban a los
efectosambientales o a la contaminacin de diversas fuentes,
incluyendo las virutas metlicas ylas partculas finas producidas
durante el maquinado, as como a las trampas de aceite(provenientes
de fugas en los sistemas hidrulicos, aceites de los miembros
deslizantes delas mquinas y sistemas lubricantes de las mquinas
herramienta). Estos cambios com-prenden el crecimiento de microbios
(bacterias, moho y levadura), sobre todo en presen-cia de agua,
convirtindose en un riesgo ambiental y afectando de manera adversa
lascaractersticas y la eficacia de los fluidos de corte.
Existen varias tcnicas para clarificar los fluidos de corte
utilizados, como el asen-tado, desnatado, centrifugado y filtrado.
El reciclamiento comprende el tratamiento delos fluidos con
diversos aditivos, agentes, biocidas y desodorizantes, as como el
trata-miento de agua (para los fluidos con base de agua). Las
prcticas de disposicin de estosfluidos deben cumplir las leyes y
reglamentos federales, estatales y locales.
22.12.1 Maquinado casi seco y en secoPor razones econmicas y
ambientales, desde mediados de la dcada de 1990 hay unatendencia
mundial a minimizar o eliminar el uso de los fluidos para el
trabajo de los me-tales, tendencia que ha llevado a la prctica del
maquinado casi seco (NDM, por sus si-glas en ingls), con beneficios
importantes como:
Alivio del impacto ambiental causado por el uso de fluidos de
corte, mejorando lacalidad del aire en las plantas de manufactura y
reduciendo los riesgos para la salud.
Reduccin del costo de las operaciones de maquinado, incluyendo
el costo de man-tenimiento, reciclado y disposicin de los fluidos
de corte.
Mejora adicional de la calidad superficial.
La importancia de este enfoque se evidente al observar que, slo
en Estados Uni-dos, cada ao se consumen millones de galones de
fluidos para el trabajo de los metales.Adems, se estima que dichos
fluidos constituyen de 7% a 17% de los costos totales
demaquinado.
El principio detrs del corte casi seco es la aplicacin de una
fina niebla de unamezcla de aire y fluido que contiene una cantidad
muy pequea de fluido de corte, inclu-yendo aceite vegetal. La
mezcla se suministra a la zona de corte a travs del husillo de
lamquina herramienta, comnmente por una boquilla de 1 mm de dimetro
y a una pre-sin de 600 kPa (85 psi). Se utiliza a un promedio de 1
a 100 cc/hr, que es (cuando mu-cho) un diezmilsimo de los
utilizados en el enfriamiento por inundacin. Enconsecuencia, al
proceso tambin se le conoce como lubricacin con cantidad mnima(MQL,
por sus siglas en ingls).
El maquinado en seco tambin es una alternativa viable. Con
importantes avancesen las herramientas de corte, se ha demostrado
que es eficaz en diversas operaciones demaquinado (particularmente
torneado, fresado y corte de engranes) en aceros, acerosaleados y
hierros fundidos, aunque no para las aleaciones de aluminio.
Una de las funciones del lubricante en el corte de metales
consiste en retirar las vi-rutas de la zona de corte. Esto parece
ser problemtico en el maquinado en seco. Sin em-bargo, se han
creado diseos de herramientas que permiten aplicar aire
presurizado, confrecuencia a travs del zanco de la herramienta. El
aire comprimido no cumple ningnpropsito de lubricacin, slo provee
un enfriamiento limitado, pero es muy eficaz pararetirar las
virutas de la interfaz de corte.
-
670 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
Maquinado criognico. Los ms recientes desarrollos en el
maquinado incluyen eluso de gases criognicos, como nitrgeno y
bixido de carbono, como refrigerantes enel maquinado. Con boquillas
de dimetro pequeo y a una temperatura de 2200 C(2320 F), el
nitrgeno lquido se inyecta en la zona de corte. Debido a la
reduccin detemperatura, se mantiene la dureza de la herramienta y
se refuerza su vida til, permi-tiendo as mayores velocidades de
corte. Asimismo, las virutas son ms frgiles, de ahque se aumente la
maquinabilidad, y el nitrgeno simplemente se evapora, por lo que
noexiste impacto ambiental adverso.
RESUMEN
A lo largo del ltimo siglo se ha desarrollado una amplia
variedad de materiales paraherramientas de corte, y los ms
utilizados han sido los aceros de alta velocidad, los car-buros,
los cermicos, el nitruro de boro cbico y el diamante. Los
materiales para herra-mientas tienen una vasta gama de propiedades
mecnicas y fsicas, como dureza encaliente, tenacidad, estabilidad
qumica, neutralidad y resistencia al astillado y el desgaste.
Se han desarrollado diversos recubrimientos para herramientas
con mejoras impor-tantes en la vida til de las mismas, el acabado
superficial y la economa de las opera-ciones de maquinado. Los
materiales de recubrimiento comunes son el nitruro detitanio, el
carburo de titanio, el carbonitruro de titanio y el xido de
aluminio; los re-cubrimientos de diamante tambin han ganado
aceptacin. Se tiende hacia los recu-brimientos de fases mltiples
para mejorar an ms el desempeo.
La seleccin de los materiales apropiados para las herramientas
depende no slo delmaterial a maquinar, sino tambin de los parmetros
del proceso y de las caractersti-cas de la mquina herramienta.
Los fluidos de corte son importantes en las operaciones de
maquinado porque redu-cen la friccin, el desgaste, las fuerzas de
corte y los requerimientos de potencia. Engeneral, las operaciones
de corte ms lentas y las que se realizan con altas presiones dela
herramienta de corte requieren un fluido con buenas caractersticas
de lubricacin.En las operaciones de alta velocidad, donde la
elevacin de la temperatura puede sersignificativa, se necesitan
fluidos con buena capacidad de enfriamiento y alguna lubri-cidad.
En la seleccin de los fluidos de corte deben considerarse sus
posibles efectosadversos sobre las partes maquinadas, las mquinas
herramientas y sus componentes,el personal y el ambiente.
TRMINOS CLAVE
Aceros de alta velocidad
Aleaciones de cobalto fundido
Carburo de titanio
Carburo de tungsteno
Carburos
Carburos micrograno
Carburos no recubiertos
Cermicos
Cermicos con base de almina
Cermicos con base de nitruro de
silicio
Cermets
Cortes de acabado
Cortes de desbaste
Costos de herramientas
Diamante policristalino
Estabilidad qumica
Estelita
Fluidos de corte
Herramientas de diamante
Herramientas recubiertas
Herramientas reforzadas con
triquitas
Insertos
Inundacin
Lubricantes
Maquinado casi seco
Maquinado criognico
Maquinado en seco
Nanocristalino
Niebla
Nitruro de boro cbico
Nitruro de boro cbico policristalino
Nitruro de titanio
Reacondicionamiento de herramientas
Recubrimientos de diamante
Recubrimientos de fases mltiples
Refrigerantes
Resistencia al desgaste
Rompevirutas
Sialn
Tenacidad
-
Problemas cualitativos 671
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PREGUNTAS DE REPASO
22.1 Cules son las propiedades importantes requeridasen los
materiales para herramientas de corte?22.2 Cules son las
diferencias en composicin y pro-piedades entre las herramientas de
acero al carbono y deacero de alta velocidad?22.3 Cul es la
composicin de una herramienta carac-terstica de carburo?22.4 Por qu
se desarrollaron los insertos para herra-mientas de corte?22.5 Por
qu se recubren las herramientas? Cules sonlos materiales comunes
para recubrimiento? Qu es un re-cubrimiento de fases mltiples?
Cules son sus ventajas?22.6 Explique las aplicaciones y
limitaciones de las he-rramientas a base de cermicos.
22.7 Cul es la composicin del sialn?22.8 Cmo se reacondicionan
las herramientas de corte?22.9 Liste las funciones principales de
los fluidos de corte.22.10 Explique cmo penetran los fluidos de
corte en lazona de corte.22.11 Liste los mtodos mediante los cuales
se aplicanlos fluidos de corte en las operaciones de
maquinado.22.12 Describa las ventajas y limitaciones de las
herra-mientas de diamante (a) monocristalino, y (b)
policristalino.22.13 Cul es el material ms duro que se conoce
des-pus del diamante?22.14 Qu es un cermet? Cules son sus
ventajas?22.15 Explique la diferencia entre la serie M y la serie
Tde los aceros de alta velocidad.
PROBLEMAS CUALITATIVOS
22.16 Explique por qu se han desarrollado tantos tiposde
materiales para herramientas de corte a lo largo de losaos. Por qu
an siguen desarrollndose?22.17 Qu propiedades de los materiales
para herra-mientas son adecuadas para las operaciones de corte
inte-rrumpido? Por qu?22.18 Indique las razones para recubrir
herramientas decorte con mltiples capas de diferentes
materiales.22.19 Liste los elementos de aleacin utilizados en
losaceros de alta velocidad. Explique por qu son tan eficacesen las
herramientas de corte.
22.20 Como se indic en la seccin 22.1, los materialespara
herramientas de corte pueden tener propiedades enconflicto con las
operaciones de maquinado. Describa susobservaciones respecto de
esta materia.22.21 Comente los propsitos de los chaflanes en los
in-sertos y sus caractersticas de diseo.22.22 Explique el impacto
econmico de la tendenciamostrada en la figura 22.6.22.23 Por qu la
temperatura tiene un efecto tan im-portante en la vida til de las
herramientas?
-
672 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos
de corte
22.24 Las herramientas de corte de cermicos y cermetstienen
ciertas ventajas sobre las herramientas de carburos.Entonces, por
qu no las han reemplazado totalmente?22.25 Pueden tener efectos
adversos los fluidos de cor-te? De ser as, cules son?22.26 Describa
las tendencias que observ en la tabla 22.2.22.27 Por qu son
importantes la estabilidad qumica yla neutralidad en las
herramientas de corte?22.28 Cmo hara para medir la efectividad de
los flui-dos de corte? Explique cualquier dificultad que
pudieraencontrar.22.29 Los recubrimientos de nitruro de titanio en
las he-rramientas reducen el coeficiente de friccin en la
interfazherramienta-viruta. Qu importancia tiene esto?22.30
Describa las condiciones necesarias para el usoptimo de las
capacidades de las herramientas de corte dediamante y de nitruro de
boro cbico.22.31 Liste y comente las ventajas de recubrir las
herra-mientas de acero de alta velocidad.22.32 Explique los lmites
de aplicacin cuando se com-paran las herramientas de corte de
carburo de tungstenocon las de carburo de titanio.22.33 En general,
se prefieren los ngulos negativos deataque para las herramientas a
base de cermicos, de dia-mante y de nitruro de boro cbico. Por
qu?22.34 Cree que existe relacin entre el costo de una he-rramienta
de corte y su resistencia en caliente? Explique surespuesta.22.35
Realice una investigacin en la bibliografa tcni-ca y d algunos
valores caractersticos de las velocidadesde corte para las
herramientas de acero de alta velocidad ypara varios materiales de
la pieza de trabajo.22.36 En la tabla 22.1, las ltimas dos
propiedades lista-das pueden ser importantes para la vida til de la
herra-mienta de corte. Por qu?
22.37 Se ha indicado que los recubrimientos de nitrurode titanio
permiten que las velocidades de corte y losavances sean mayores que
con herramientas no recubier-tas. Investigue en la bibliografa
tcnica y elabore una ta-bla que muestre el incremento porcentual de
lasvelocidades y avances que podran obtenerse al recubrirlas
herramientas.22.38 Notar en la figura 22.1 que todos los
materialespara herramientas tienen una amplia variedad de
durezaspara una temperatura particular, especialmente los
carbu-ros. Describa los factores que sean responsables de
estagama.22.39 Liste y explique los factores que deben
considerar-se en la decisin de reacondicionar, reciclar o desechar
unaherramienta de corte.22.40 En relacin con la tabla 22.1,
establezca qu ma-teriales para herramientas seran adecuados para
las ope-raciones de corte interrumpido. Explique su respuesta.22.41
Cul de las propiedades indicadas en la tabla22.1 es, segn su
opinin, la menos importante en las he-rramientas de corte? Explique
su respuesta.22.42 Si el objetivo de una broca es el trabajo en
madera,con qu material es ms probable que se fabrique?
(Suge-rencia: En el trabajo en madera, es raro que las
temperatu-ras se eleven a 400 C). Existe alguna razn por la cualuna
broca como la indicada no pueda utilizarse para tala-drar algunos
orificios en un metal? Explique su respuesta.22.43 Cules son las
consecuencias de un recubrimien-to que tenga un coeficiente de
dilatacin trmica diferenteal del sustrato?22.44 Discuta las
ventajas y limitaciones relativas al ma-quinado casi seco.
Considere todos los aspectos tcnicos yeconmicos.
PROBLEMAS CUANTITATIVOS
22.45 Revise el contenido de la tabla 22.1. Grafique va-rias
curvas para mostrar relaciones entre intervalos, siexiste alguna,
entre parmetros como la dureza, la resis-tencia a la ruptura
transversal y la resistencia al impacto.Comente sus
observaciones.22.46 Obtenga datos sobre las propiedades trmicas
dediferentes fluidos de corte. Identifique los que sean
refrige-
rantes eficaces (como los fluidos con base de agua) y losque
sean buenos lubricantes (como los aceites).22.47 En la primera
columna de la tabla 22.2 se muestransiete propiedades importantes
de las herramientas de corte.Agregue datos numricos para cada
propiedad de cada unode los materiales indicados en la tabla.
Describa sus obser-vaciones, incluyendo cualquier dato que se
traslape.
-
Sntesis, diseo y proyectos 673
SNTESIS, DISEO Y PROYECTOS
22.48 Describa con detalle lo que piensa en relacin conlos
factores tcnicos y econmicos comprendidos en la se-leccin de
materiales para herramientas.22.49 Una de las principales
preocupaciones con los re-frigerantes es la degradacin ocasionada
por el ataquebiolgico de las bacterias. A menudo se les agregan
bioci-das qumicos para prolongar su vida til, pero estos
biocidascomplican la disposicin de los refrigerantes. Investigue
enla bibliografa respecto de los ltimos desarrollos sobre eluso de
biocidas benignos con el medio ambiente en losfluidos de
corte.22.50 Pngase en contacto con varios proveedores
deherramientas de corte, o busque en sus sitios de Internet.Liste
los costos de herramientas de corte comunes para di-versos tamaos,
formas y caractersticas.22.51 Como puede ver, en la actualidad
existen varios ti-pos de materiales para herramientas de corte para
las ope-
raciones de maquinado. Sin embargo, an se realizan mu-chas
investigaciones y desarrollos destinados a estos mate-riales. Liste
las razones por las que piensa que se efectandichos estudios.
Comente cada una de esas razones, conuna aplicacin o ejemplo
especfico.22.52 Suponga que est a cargo de un laboratorio para
eldesarrollo de fluidos de corte nuevos o mejorados. Con ba-se en
los temas presentados en este captulo y en el anterior,sugiera una
lista de temas para que investiguen los miem-bros de su equipo.
Explique por qu eligi esos temas.22.53 Realice una investigacin en
la bibliografa tcni-ca y describa las tendencias en los nuevos
materiales paraherramientas de corte y recubrimientos. Cules se
estnponiendo a disposicin de la industria?