30 Oct
1. Definición de Maquinabilidad
La maquinabilidad es una propiedad de los materiales que indica la facilidad con la que pueden ser mecanizados por arranque de viruta. Es una propiedad que se determina de manera experimental y que no está estandarizada. Debido a los diferentes métodos, así como a las diferencias en las máquinas y herramientas de corte utilizadas, el concepto de maquinabilidad es difícil de medir debido a la cantidad de variables que intervienen, lo que dificulta establecer valores comparativos.
Para analizar la maquinabilidad de un material se consideran los siguientes criterios:
- Vida de la herramienta: Mayor vida útil implica mayor maquinabilidad.
- Formación de viruta: Según el tipo de viruta (ver apartado 3).
- Tendencia del filo de aportación: Si es menor, implica mayor maquinabilidad.
- Acabado superficial: Mejor acabado implica mayor maquinabilidad.
- Fuerzas de corte y potencia necesaria: Si son menores, implican mayor maquinabilidad.
2. Propiedades Mecánicas de las Piezas que Influyen en el Mecanizado
Cuando se examinan los materiales de las piezas a mecanizar más comunes con el propósito de conocer su maquinabilidad y sus condiciones óptimas de mecanizado, se deben considerar sus propiedades mecánicas y cómo estas pueden afectar al proceso.
a. Dureza
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a ser penetrados por otros. A mayor dureza, mayor es la oposición que ofrece el material a ser penetrado por la herramienta de corte. Por tanto, la dureza de los materiales suele aumentar el desgaste de las herramientas.
Al mecanizar acero con herramientas de metal duro, se puede establecer que un valor de aproximadamente 180-200 HB es considerado apropiado (valores comunes de material en estado normalizado). A valores mayores, hay que reducir la velocidad de corte para mantener la vida de la herramienta, y a valores menores, hay que aumentar la velocidad de corte para romper la viruta.
b. Resistencia
La resistencia de un material es la capacidad para resistir fuerzas sin romperse. A mayor resistencia del material, mayores son las fuerzas de corte, lo que produce más fricción entre la pieza y la herramienta, provocando más calor y más desgaste. Esto reduce la vida de la herramienta.
c. Ductilidad
La ductilidad es la capacidad del material para deformarse en hilos. A mayor ductilidad, más capacidad de deformación y, por tanto, más difícil es la rotura de la viruta, creando virutas largas que rozan contra la herramienta, calentándola y desgastándola. Valores bajos de ductilidad son generalmente positivos, ya que repercuten en la rotura de la viruta, aunque la baja ductilidad suele estar acompañada de una dureza alta.
El exceso de ductilidad es muy probable que genere problemas de aportación de material en la arista de corte (debido al rozamiento y calor generado), provocando un acabado superficial deficiente, formación de rebabas y, consecuentemente, corta vida de las herramientas; obligando a replantear la geometría de corte con ángulos de desprendimiento muy positivos, forma adecuada del rompevirutas, etc.
Un aumento de dureza, por ejemplo, por estirado en frío, aumenta la dureza y reduce la ductilidad, lo que tiene buenas consecuencias para el mecanizado.
d. Conductividad Térmica
Una conductividad térmica alta significa que el calor generado en el proceso de corte es rápidamente conducido fuera de la zona de corte. Un valor alto es beneficioso para el mecanizado.
Para materiales de baja conductividad térmica es necesario ayudar a la evacuación del calor que se produce en el proceso de corte mediante líquidos refrigerantes.
Gran parte del calor de corte se lo lleva la viruta, por eso es importante que la viruta se rompa con facilidad (viruta corta), de modo que no traspase el calor a la herramienta.
En términos generales, podemos establecer una clasificación de mejor a peor en cuanto a su maquinabilidad relacionada con su conductividad térmica:
- Aluminio
- Aceros no aleados
- Aceros aleados
- Aceros inoxidables
- Aleaciones resistentes al calor y de alta resistencia.
e. Inclusiones
Una inclusión es un elemento integrado en la composición del material, sin ser uno de los componentes tipificados. Las clasificamos en dos grupos: Macroinclusiones y Microinclusiones.
Macroinclusiones
Se definen como macroinclusiones aquellas que tienen un tamaño mayor de 150 μm. Habitualmente son muy duras y abrasivas, y suelen producirse en aceros de baja calidad, ya que son generadas por el proceso de fabricación en el horno, escorias, etc.
Tienen un efecto negativo. Producen roturas de herramientas, debido a que la herramienta está mecanizando un material en condiciones de corte determinadas para ese material y de repente se encuentra una partícula dura con la que impacta.
Microinclusiones
Las microinclusiones están siempre presentes en los aceros de una manera amplia. Una clasificación por sus efectos en la maquinabilidad puede ser:
- Indeseables: Alumínicas y de calcio (Al2O3 y Ca). Estas son duras y abrasivas.
- Menos deseables: Óxidos de hierro y manganeso (FeO y MnO). Su deformidad es mayor e inciden beneficiosamente en la formación de la viruta.
- Deseables: Los silicatos (Si) mecanizando con velocidades de corte altas. Puesto que los silicatos, a dichas temperaturas, ayudan a generar una capa que protege la zona de corte, por lo que retrasa el desgaste de la herramienta.
f. Estructura (Condición de Compra: Normalizado, Recocido, Templado, etc.)
La estructura del material define sus propiedades. Materiales de composiciones químicas similares, pero con estructuras diferentes, tienen propiedades y, por tanto, maquinabilidad diferente.
Según el porcentaje de carbono del acero, se obtienen diferentes estructuras que influyen en la maquinabilidad:
- Ferrita: Blanda y dúctil.
- Perlita: Mezcla entre ferrita y cementita.
- Cementita: Dura y abrasiva.
Los tratamientos térmicos cambian la estructura e influyen en el mecanizado:
- Recocido: (En el TTT, el material ha sufrido un enfriamiento lento para ablandar el material. El exceso de ductilidad no es óptimo).
- Normalizado: (En el TTT, el material se enfría al aire). El objetivo es alcanzar una estructura más homogénea y uniforme que aumenta su maquinabilidad.
- Templado y Revenido: El aumento en la dureza es perjudicial para el mecanizado. Hay que ajustar las velocidades de corte y seleccionar herramientas adecuadas, como las cerámicas.
Los procesos de fabricación generan distintas estructuras:
- El acero laminado en caliente presenta un tamaño de grano bastante grande, que hace que la estructura sea irregular y provoque variaciones en las fuerzas de corte.
- El acero forjado tiene menor tamaño de grano y una estructura más uniforme, que crea menos problemas al mecanizar.
g. Estado Superficial
El estado superficial del material a mecanizar afecta al resultado, de forma parecida a las macroinclusiones, resultando en desgaste rápido y rotura de la herramienta.
- El acero fundido tiene una estructura de superficie basta, que puede presentar arena y escoria, y supone una alta exigencia de tenacidad sobre el filo.
- El laminado en caliente produce algunos defectos superficiales como capas de óxido duras que son perjudiciales.
- Los aceros laminados en frío son favorables para el mecanizado debido a que mejoran su estado superficial y se consigue una estructura homogénea.
h. Elementos de Aleación
La composición química del material determina los compuestos que se forman. Por ejemplo, en el acero, los elementos de aleación como el Ni, Cr, Co y V crean carburos. Son elementos muy duros que producen abrasión en las herramientas de corte. Por esto, aceros muy aleados, como el acero rápido, son difíciles de mecanizar.
También existen elementos como el Pb, S y P que, combinados en el acero, crean compuestos frágiles que ayudan a la rotura de la viruta. Por eso, los aceros de fácil mecanización tienen este tipo de elementos en su composición.
3. Formación y Tipos de Viruta en el Mecanizado
La viruta es un fragmento de material residual con forma de lámina curvada o espiral que es extraído en las operaciones de corte.
En el proceso de mecanizado, el control de la viruta es un elemento fundamental. Si no se controla, se pueden crear virutas largas y fibrosas que formen ovillos alrededor de la pieza, lo que no solo puede comprometer la mecanización de la pieza, sino también la seguridad del trabajador.
En la siguiente tabla se muestra los tipos de viruta que se forman (Nota: Se omite la tabla, pero se mantiene la referencia):
De todos los tipos de viruta que existen, remarcaremos tres:
Viruta Continua
Las virutas continuas son largas. Se forman durante el tratamiento de materiales blandos y tenaces. Las virutas continuas obstaculizan la secuencia de trabajo, tienden a enredarse en el portaherramientas, los soportes y la pieza, así como en los sistemas de eliminación de viruta, y se debe parar la operación para apartarlas. Pueden dañar la superficie de la pieza. Producen mayor calentamiento en la herramienta de corte y también elevan el peligro de accidentes de trabajo.
Para mejorar la rotura de las virutas continuas, se eleva la velocidad de corte y en el torno se utiliza una cuchilla con un gran ángulo de posición. Es necesario que la herramienta tenga una geometría con rompevirutas.
Viruta Escalonada o Segmentada
Las virutas escalonadas (también denominadas virutas segmentadas o no homogéneas) son semicontinuas y tienen un aspecto de viruta serrada. Los metales con baja conductividad térmica y resistencia que disminuye rápidamente con la temperatura, como el titanio, muestran este comportamiento.
Viruta Discontinua
Las virutas discontinuas son cortas y tienen una forma irregular, debido a que fueron arrancadas del material. Esta forma de virutas aparece, sobre todo, durante el desbaste cuando, por ejemplo, se trabaja con una gran profundidad de corte, una velocidad de corte baja y un gran avance.
Se suele producir al mecanizar materiales frágiles, como por ejemplo la fundición gris. Por la naturaleza discontinua de la formación de virutas, las fuerzas varían de forma discontinua durante el corte. En consecuencia, adquieren importancia la rigidez del portaherramientas, la sujeción de la pieza, así como la rigidez de la máquina, y la tenacidad de la herramienta.
Modelo de Corte Ortogonal
Para el estudio de la formación de viruta, se analiza el corte producido por un solo filo, similar a lo que ocurre en el corte de un cincel. Esto se conoce como corte ortogonal. El modelo de corte ortogonal emplea una herramienta en forma de cuña, cuyo borde cortante es perpendicular a la dirección de la velocidad de corte. (Nota: Se omite la imagen, pero se mantiene la referencia).
La formación de la viruta es la consecuencia de la deformación plástica producida en el mecanizado (en la zona primaria y secundaria). Este proceso se crea por las fuerzas de corte en la punta de la herramienta y del calor generado por la fricción entre herramienta y pieza. El calor generado aumenta la plasticidad del material y su deformación hasta la formación de viruta.
La formación de la viruta cambia según los siguientes parámetros de corte:
- Profundidad de pasada
- Avance
- Ángulo de corte
- Velocidad de corte
- Material a mecanizar
- Geometría y radio de la punta de la herramienta.
Por ejemplo, se puede observar en la siguiente imagen lo que ocurre al cambiar la profundidad de pasada y el ángulo de corte. (Nota: Se omite la imagen, pero se mantiene la referencia).
Se realizan diferentes ensayos para determinar las condiciones óptimas de mecanizado. En este ensayo se busca determinar la tensión necesaria para la formación de la viruta, llamada fuerza específica de corte (Kc):
Este valor es diferente de la resistencia obtenida en el ensayo de tracción, debido a las condiciones del mecanizado: velocidad de deformación plástica muy elevada, elevada fricción y temperatura. Este valor se encuentra en tablas de fabricante de herramientas representado en N/mm².
Hay que tener en cuenta que la Kc es un valor que es función del espesor de viruta. Por eso hay que ajustarlo según la siguiente fórmula. (Nota: Se omite la fórmula, pero se mantiene la referencia).
4. Mecanizado de Materiales: Clasificación ISO y Características
4.1 Clasificación ISO de Materiales a Mecanizar
ISO P – Aceros
El acero es el grupo de materiales más grande del área de mecanizado. Abarca aceros al carbono y aleados, e incluye en parte a los aceros fundidos y aceros inoxidables ferríticos y martensíticos. La maquinabilidad suele ser buena, pero puede ser muy distinta según la dureza, contenido de carbono, etc., del material.
ISO M – Aceros Inoxidables
Los aceros inoxidables son materiales aleados con un mínimo de 12% de cromo; otras aleaciones pueden incluir níquel y molibdeno. Los distintos estados, como ferrítico, martensítico y austenítico, crean una amplia gama. Un factor común de todos estos tipos es que los filos quedan expuestos a gran cantidad de calor, desgaste en entalladura y filo de aportación.
ISO K – Fundición
La fundición es, al contrario que el acero, un tipo de material que produce viruta corta. La fundición gris (GCI) y la fundición maleable (MCI) son muy fáciles de mecanizar, mientras que la fundición nodular (NCI) presenta más dificultades. Todas las fundiciones contienen carburo de silicio, que resulta muy abrasivo para el filo.
ISO N – Metales No Férreos
Son metales más blandos, como aluminio, cobre, latón, etc. El aluminio con un contenido de Si del 13% es muy abrasivo. Por regla general, se puede obtener alta velocidad de corte y prolongada vida útil de la herramienta con plaquitas de filos agudos.
ISO S – Superaleaciones Termorresistentes (HRSA)
Incluyen un gran número de materiales de alta aleación con base de hierro, níquel, cobalto y titanio. Son pastosos, crean filo de aportación, se endurecen durante el mecanizado (endurecimiento mecánico) y generan calor. Son similares a los del área ISO M, pero mucho más difíciles de mecanizar y acortan la vida útil de la herramienta y del filo de la plaquita.
ISO H – Materiales Endurecidos
Este grupo incluye aceros con una dureza entre 45-65 HRc y también fundición en coquilla de alrededor de 400-600 HB. Esta dureza hace que todos ellos sean difíciles de mecanizar. Los materiales generan calor durante el mecanizado y resultan muy abrasivos para el filo.
Este gráfico muestra los tipos de viruta de cada grupo. (Nota: Se omite el gráfico, pero se mantiene la referencia).
4.2 Características del Mecanizado de Diversos Materiales
4.2.1 Maquinabilidad del Acero
La maquinabilidad del acero es distinta según los elementos de cada aleación, el tratamiento térmico y el proceso de fabricación (forja, laminación, fundición, etc.). En general, el control de viruta es relativamente sencillo y uniforme. El acero de bajo contenido en carbono produce virutas más largas que son pastosas y requiere filos agudos.
La fuerza de corte específica kc1 se encuentra en un margen grande de valores: 1.400-3.100 N/mm².
4.2.1.1 Acero No Aleado
Las dificultades de rotura de la viruta y la tendencia al filo recrecido son los problemas en los aceros de bajo contenido en carbono (< 0.25%). Es posible reducir la tendencia al filo recrecido con altas velocidades de corte y filos y/o geometrías agudas, con cara de desprendimiento positiva. En torneado, se recomienda que la profundidad de corte se mantenga próxima o superior al radio de punta para mejorar la rotura de la viruta. En general, la maquinabilidad es muy buena.
4.2.1.2 Acero de Baja Aleación
La maquinabilidad del acero de aleación baja depende del contenido de aleación y del tratamiento térmico (dureza). Para todos los materiales de este grupo, el mecanismo de desgaste más común es la formación de cráteres de desgaste y el desgaste en incidencia.
4.2.1.3 Acero de Alta Aleación
En general, la maquinabilidad se reduce al incrementarse el contenido de aleación y la dureza. Por ejemplo, con un 12-15% de elementos de aleación y una dureza de 450 HB como máximo, aumentan las fuerzas de corte y el filo necesita buena resistencia en caliente para soportar la deformación plástica.
4.2.2 Maquinabilidad del Acero Inoxidable
En general, la maquinabilidad se reduce al incrementarse el contenido de aleación. Es un material de viruta larga debido a su tenacidad. El control de viruta es regular en materiales ferríticos/martensíticos.
Fuerza de corte específica: 1.800-2.850 N/mm².
El mecanizado crea altas fuerzas de corte, filo de aportación, superficies con endurecimiento térmico y mecánico. La adición de azufre (S) se utiliza para mejorar la maquinabilidad. Un alto contenido de C (>0.2%) crea un desgaste en incidencia relativamente grande.
4.2.2.1 Acero Inoxidable Ferrítico y Martensítico
En general, la maquinabilidad es buena y muy similar a la del acero de aleación baja, por ello se clasifica como material ISO P. Un alto contenido de carbono (>0.2%) permite el endurecimiento del material. El mecanizado creará cráteres y desgaste de flanco con algo de filo de aportación. Las calidades y geometrías ISO P ofrecen buen rendimiento.
4.2.2.2 Acero Inoxidable Austenítico
El endurecimiento mecánico produce superficies y virutas duras, que a su vez provocan desgaste en entalladura. Se debe mecanizar por debajo de la capa con endurecimiento mecánico. Mantenga la profundidad de corte constante. El estado de endurecimiento puede rasgar el material de recubrimiento y el sustrato a partir del filo, lo que provoca astillamiento y acabado superficial deficiente.
También crean adherencia y filo de aportación (BUE). La austenita produce virutas largas, continuas y tenaces, que resultan difíciles de romper. Al añadir S se mejora la maquinabilidad, pero se reduce la resistencia a la corrosión.
Utilice filos agudos con geometría positiva. Se genera mucho calor durante el mecanizado. Tiene una maquinabilidad del 60%.
4.2.3 Maquinabilidad de la Fundición
Material de viruta corta con buen control de la misma en la mayor parte de condiciones. Fuerza de corte específica: 790 – 1350 N/mm².
Al mecanizar a velocidades superiores, especialmente en fundición con incrustaciones de arena, se crea desgaste por abrasión.
La fundición se suele mecanizar con plaquitas de tipo negativo, ya que presentan filos robustos y aplicaciones seguras.
Los sustratos de metal duro deben ser duros y el recubrimiento debe ser grueso y de tipo óxido de aluminio para que tenga buena resistencia al desgaste por abrasión.
La fundición se suele mecanizar sin refrigerante, pero también se puede utilizar lubricante, sobre todo para mantener al mínimo la contaminación del polvo de carbono y hierro. También hay calidades disponibles que se adaptan a aplicaciones con suministro de refrigerante.
4.2.3.1 Fundición Gris
La fundición gris tiene baja tenacidad (viruta corta), genera fuerzas de corte bajas y la maquinabilidad es muy buena. El desgaste se produce en el proceso de mecanizado solamente por abrasión; no se produce desgaste químico.
4.2.3.2 Fundición Dúctil
La fundición nodular presenta una fuerte tendencia a formar filo de aportación. Esta tendencia es más fuerte en los materiales más blandos, con mayor contenido ferrítico. Al mecanizar piezas con alto contenido ferrítico y con cortes intermitentes, el mecanismo de desgaste que predomina es el desgaste por adherencia.
4.2.4 Maquinabilidad de Aleaciones Ligeras
4.2.4.1 Aluminio
Material de viruta larga. Control de viruta relativamente fácil, si está aleado.
El Al puro es pastoso y requiere filos agudos y valores altos de vc.
Fuerza de corte específica: 350-700 N/mm²
Las fuerzas de corte y la potencia requerida en la máquina son bajas. El aluminio se alea con silicio para mejorar sus propiedades en la fundición. Si el contenido de silicio es inferior al 7-8%, el material se puede mecanizar con calidades de metal duro sin recubrimiento y grano fino. Si el contenido de silicio > 12% es muy abrasivo y se mecaniza con calidades de punta PCD.
4.2.4.2 Titanio
La maquinabilidad de las aleaciones de titanio es mala si se compara con el acero en general o con el acero inoxidable. El titanio tiene poca conductividad térmica y mantiene la resistencia a alta temperatura, por lo que se generan altas fuerzas de corte y calor en el filo.
La herramienta se suele utilizar de metal duro de grano fino sin recubrimiento, con una geometría positiva/abierta con buena tenacidad del filo.
4.2.5 Maquinabilidad de Aleaciones Termorresistentes (HRSA)
Los materiales HRSA se dividen en tres grupos: aleaciones con base de níquel, de hierro y de cobalto. Pueden presentarse en estado de recocido, envejecido, laminado, forjado o fundición. El mayor contenido de aleación (más Co que Ni) ofrece mayor resistencia térmica, incrementa la resistencia a la tracción y a la corrosión.
Las propiedades físicas y el comportamiento de mecanizado de cada aleación varían considerablemente, debido tanto a la naturaleza química de la aleación como al procesamiento metalúrgico concreto que recibe durante su fabricación.
Control de viruta difícil (viruta segmentada). Fuerza de corte específica: 2.400-3.100 N/mm² para HRSA y 1.300-1.400 N/mm² para titanio. Las fuerzas de corte y la potencia requerida son altas.
4.2.6 Maquinabilidad de Materiales Templados y Endurecidos (ISO H)
El acero templado es el grupo más reducido desde el punto de vista del mecanizado y el acabado es la operación de mecanizado más habitual. Fuerza de corte específica: 2.550 – 4.870 N/mm². Esta operación suele producir un control de viruta regular. Las fuerzas de corte y la potencia requerida son altas.
El material de la herramienta debe tener buena resistencia a la deformación plástica (resistencia al calor), estabilidad química (a alta temperatura), resistencia mecánica y resistencia al desgaste por abrasión. El CBN tiene estas características y permite tornear en lugar de rectificar.
También se utiliza cerámica mixta o reforzada con filamentos para tornear, cuando la pieza tiene exigencias moderadas de acabado superficial y la dureza es demasiado alta para el metal duro. El metal duro domina en aplicaciones de fresado y taladrado, y se utiliza hasta aproximadamente 60 HRc.
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