Datos concretos sobre las herramientas de corte más duras

Las herramientas de corte de diamante y CBN son armas poderosas, pero ¿cuándo y cómo deben usarse?

Todo el mundo sabe dos cosas sobre los diamantes: son muy duros y muy caros. Lo mismo ocurre con las herramientas de corte de diamante policristalino (PCD) y de nitruro de boro cúbico (CBN). Son lo suficientemente duros como para cortar materiales extremadamente difíciles de mecanizar, pero a un costo que los ha mantenido como una herramienta de último recurso en la mayoría de los casos, utilizados sólo cuando no hay una solución mejor y más barata.

“Las tecnologías CBN y PCD están un poco al margen de la aplicación de herramientas de corte”, señaló Tom Raun de Iscar USA. “Y por eso tienden a pasar desapercibidos la mayor parte del tiempo.

Sin embargo, hay dos verdades que los fabricantes más afines al corte de metales deberían considerar. Primero, si bien el costo inicial de las herramientas de corte duro puede parecer una barrera formidable para su uso, en realidad pueden generar un gran retorno de la inversión y reducir el costo por pieza cuando se usan en la aplicación correcta. Y en segundo lugar, tanto las herramientas PCD como CBN están mejorando, haciéndolas más versátiles y ampliando los tipos de aplicaciones para las que son adecuadas.

Con la ayuda de cuatro expertos (incluido Raun), analizamos cómo se utilizan ambos tipos y cómo estas herramientas son cada vez mejores y más útiles.

"Tanto los materiales PCD como CBN se utilizan normalmente para aplicaciones de alta producción, lo que significa que es necesario producir un gran volumen de piezas", dijo Steve Howard, gerente de marketing e ingeniería de NTK Cutting Tools USA, Wixom, Michigan. "Ser la herramienta de corte más dura materiales en la industria, pueden ofrecer la mejor vida útil de la herramienta para diversos materiales de piezas. En el caso del CBN, existen otros materiales para herramientas de corte en el mercado que realizarán la misma operación de mecanizado a una velocidad de corte mayor, pero no pueden alcanzar la vida útil de la herramienta del CBN. CBN puede ofrecer más piezas y menos indexación de insertos en metrajes de superficie más bajos [para] mejorar el tiempo de ciclo de una pieza”.

Los grados CBN se utilizan predominantemente para cortar acero endurecido y metales en polvo, mientras que los PCD son más aplicables al mecanizado de materiales no ferrosos, señaló Howard.

"Sin embargo, los fabricantes de piezas están viendo una evolución en la composición de los materiales y cada día se inventan nuevos materiales", afirmó. "Es importante tomarse el tiempo para investigar la composición y las características del material que se va a mecanizar para determinar qué herramienta de corte y parámetros funcionarán mejor para mecanizarlo".

El precio tanto del PCD como del CBN los mantiene fuera de la lista de posibles soluciones para muchos talleres hasta que descubren que no tienen otra opción, y luego algunos de ellos dan el paso sin investigar adecuadamente los materiales a cortar, según Howard.

"Con las opciones de PCD y CBN, el costo de la plaquita es el factor disuasivo número uno para los clientes a la hora de seleccionar la herramienta de corte para su aplicación", afirmó. “Una de las cosas más difíciles de juzgar es [cuál] será la vida útil exacta de estos dos materiales de herramientas de corte. Las pruebas son la clave para determinar la cantidad máxima de piezas que estos insertos pueden cortar antes de que se desgasten. Debido a su alto costo, querrás sacarles todo el provecho que puedas. Muchos usuarios no saben si están obteniendo la máxima vida útil de la herramienta y es posible que no obtengan el valor de su dinero en cada índice”.

Craig Bastian ha visto que la tendencia al aligeramiento en la industria automotriz genera un mayor uso de herramientas PCD en su rol como gerente general de IT.TE.DI North America, una compañía hermana de Ingersoll Cutting Tools Co. Ambas compañías tienen su sede en Rockford, Illinois. , y son parte del Grupo IMC.

"En los últimos 10 o 15 años, cada vez más componentes de automoción están pasando del hierro fundido al aluminio, por lo que el uso de PCD está creciendo como un loco en esta industria", afirmó Bastian.

“Hoy en día, prácticamente todos los turismos y camionetas tienen un bloque y un cabezal de aluminio. Y en los vehículos eléctricos, aún más componentes son de aluminio. PCD seguirá creciendo durante los próximos 20 a 25 años”.

La misma tendencia al aligeramiento también está ampliando el uso del CBN, dijo, y puso como ejemplo el paso del hierro fundido al CGI (hierro de grafito compactado) en la fabricación de camiones.

"Muchos de los grandes fabricantes de camiones que todavía utilizaban hierro fundido para bloques y cabezales de motor están cambiando a CGI porque pueden mantener toda la resistencia del hierro fundido pero aligerar el peso al reducir el espesor de la pared", dijo. "El CGI es un material muy difícil de mecanizar, por lo que se necesita la alta resistencia al desgaste del CBN".

Otra aplicación automotriz común del CBN es en materiales endurecidos utilizados para cajas de cambios o componentes de transmisión. Nuevamente, debido a los requisitos de aligeramiento, es necesario fabricarlos con tolerancias cada vez más estrictas, según Robert Keilmann, gerente de proyectos de torneado de Kennametal Inc., Latrobe, Pensilvania.

La industria aeroespacial también ha ido ampliando el uso de herramientas de corte de CBN, especialmente en la fabricación de motores, afirmó Keilmann. “Si nos fijamos en el motor a reacción, tenemos la zona fría en la parte delantera, donde la entrada de aire está hecha de componentes normalmente hechos de titanio, debido a su bajo peso. Pero la zona de combustión debe tener cuchillas y discos fabricados con mucha precisión y otros componentes fabricados con materiales resistentes al calor a base de níquel, como Inconel o Hastelloy”.

En el pasado, estos materiales resistentes al calor se cortaban normalmente con herramientas con insertos de carburo, afirmó. Pero el CBN permite una vida útil más larga de la herramienta y velocidades de corte más altas. "Si comparas el corte de Inconel 718, por ejemplo, con el carburo y el CBN, encontrarás que la velocidad a la que puede funcionar el CBN es diez veces mayor", dijo.

Otra área propicia para el crecimiento en el sector aeroespacial es el uso de herramientas duras para mecanizar compuestos de carbono, señaló Raun de Iscar. Describió el elaborado sistema de un cliente para perforar con precisión agujeros en compuestos de estructuras de aviones para sujetadores utilizando brocas de carburo. El desafío fue la vida útil más corta de la herramienta de carburo en comparación con los PCD y CBN, lo que se complicó por las medidas adoptadas para garantizar la precisión de la perforación.

“Tenían un casquillo especial que se utilizaba para mantener la perforadora alineada”, explicó. “Eso significaba que sería necesario realizar una configuración compleja cada vez que tuvieran que reemplazar un taladro. Tendrían que desmontar todo el casquillo y el cambio tardaba entre 10 y 15 minutos cada vez, en cada una de las múltiples estaciones de perforación”.

La solución que ofreció Iscar fue doble: en primer lugar, al utilizar PCD en lugar de carburo, la vida útil de la herramienta aumentó considerablemente, de modo que el número de veces que era necesario interrumpir la perforación se redujo considerablemente. Y en segundo lugar, dijo Raun, el sistema Iscar SUMOCHAM de utilizar herramientas (taladros, en este caso) con cabezales reemplazables permitió al cliente cambiar rápidamente solo los cabezales de taladro, en lugar de realizar el lento proceso de reemplazar todo el taladro. Sin alterar el casquillo, “tienen espacio para entrar y cambiar rápidamente sólo el cabezal. Literalmente, cada ejercicio lleva unos segundos en lugar de 15 minutos”, dijo. Los ahorros resultantes fueron “astronómicos”, según Raun.

Los PCD y CBN comienzan con la ventaja de una vida útil más larga que su rival más común, el carburo. En la aplicación correcta, la vida útil de la herramienta es lo suficientemente larga como para que los mayores costos iniciales de la primera sean irrelevantes al considerar el costo total de producción.

Pero para algunos proveedores, ese costo inicial sigue siendo una barrera. Todos los fabricantes de estas herramientas continúan encontrando formas de mejorar sus productos para convertirlos en mejores soluciones en una esfera de aplicaciones cada vez más amplia.

Por ejemplo, la tecnología de cabezal intercambiable de Iscar puede permitir el uso de PCD en composites y otras áreas. Según Raun, la empresa también está mejorando su método de estofar PCD o CBN sobre un inserto de carburo. "Por lo general, el estofado se realiza en bordes rectos, el borde del carburo contra el borde recto de la pequeña y plana oblea de PCD o CBN", dijo. "Esa unión puede ser un punto de debilidad".

Iscar ha aumentado la superficie a cocer cambiando la forma de los dos bordes (ver foto en la página 61).

"Es casi como una estría o una forma de 'S', con un patrón de acoplamiento en el sustrato", explicó. "Esto crea una conexión soldada mucho más fuerte, con mejor rigidez, y eso nos permite ser más agresivos con nuestras profundidades de corte y nuestras velocidades de avance". Y aunque Iscar está cambiando la forma del PCD y CBN donde se une al carburo, también ha comenzado a colocar formadores de viruta en el filo para permitir un mejor control de la viruta, dijo.

Un avance notable en Ingersoll es cómo se forma la vanguardia del PCD, según Bastian. Tradicionalmente, esto se hace con electroerosión por hilo o rectificado, los cuales tienen una limitación.

"Los diamantes policristalinos, como sugiere el nombre, son cientos de miles de pequeñas partículas de diamante compactadas entre sí bajo intenso calor y presión para formar esa oblea de PCD, sobre la cual se mecaniza un filo", dijo. "Pero si miras el filo con un microscopio, verás pequeños picos y valles, como una cadena montañosa en lo que debería ser un filo plano". La superficie irregular se debe a que tanto el proceso de electroerosión como el de rectificado inevitablemente extraen algunas de esas pequeñas partículas de diamante del material compactado.

"Esos picos y valles se prestan a crear fallas de vanguardia más rápidamente", dijo Bastian. “Por eso hoy en día nos dirigimos más hacia la preparación de la vanguardia mediante láser”. El láser corta las partículas de diamante en lugar de arrancarlas, explicó. "Así que, para empezar, ahora tenemos un borde mucho más suave, lo que se presta a una vida útil mucho más larga de la herramienta".

Bastian señaló que la empresa utiliza el método láser desde hace unos siete años y, aunque algunos competidores también lo hacen de esta manera, el alto coste del equipo láser necesario es una barrera para algunos de sus rivales más pequeños. "Tenemos suerte. Pertenecemos al grupo IMC y podemos permitirnos máquinas como ésta”.

NTK Cutting Tools mejora sus productos trabajando con sus clientes para crear un filo óptimo para cada aplicación, según Howard.

"La preparación del borde de la plaquita es un componente crítico para el éxito del mecanizado", afirmó. “Una amplia gama de aplicaciones para estos insertos puede llevar a ajustes en el tratamiento de los bordes, según el material de la pieza y las condiciones de corte. Analizar la aplicación e identificar la preparación adecuada del borde puede desempeñar un papel importante a la hora de maximizar la vida útil de la herramienta de inserción. Como decimos, una talla no sirve para todos”.

Lo más importante para el éxito del cliente (y de NTK) es el énfasis de este último en trabajar estrechamente con el cliente para comprender sus requisitos, procesos y materiales de piezas, explicó Howard.

“Nos asociamos con los clientes para desarrollar una solución que maximice la productividad y, a su vez, obtenemos una mayor comprensión de cómo funcionan PCD y CBN. Las condiciones de la vida real son la mayor ayuda para que los fabricantes de herramientas aprendan y perfeccionen la combinación óptima del grado de PCD o CBN con la preparación de los bordes para cada material. La recopilación de datos nos ayuda a ofrecer a los clientes las mejores soluciones”.

Según Keilmann, la preparación de los bordes y la tecnología de recubrimiento es lo que ha permitido a Kennametal cumplir con las tolerancias cada vez más estrictas de sus clientes.

"Los requisitos de precisión de las herramientas han sido impulsados ​​por las necesidades de las aplicaciones, como tolerancias más estrictas en las cajas de cambios de automóviles para mejorar la eficiencia del combustible", dijo. Y las herramientas han recorrido un largo camino.

“Hace veinte o treinta años no podríamos haber preparado una tecnología de vanguardia como podemos hacerlo hoy. La capacidad de las máquinas rectificadoras que utilizamos ahora para procesar nuestras plaquitas permite una mayor precisión y tolerancias más estrictas que hace incluso una década”.

Las mejoras de vanguardia en la preparación están respaldadas por la nueva tecnología de recubrimiento y otras innovaciones, dijo, utilizando como ejemplo un CBN de doble cara lanzado recientemente para tornear metales duros.

“Los grados KBH-10B y KBH-20B cuentan con un recubrimiento PVD TiN/TiAlN/TiN completamente nuevo para mayor resistencia al desgaste. Pero junto con el recubrimiento implementamos un nuevo tipo de proceso de bruñido”.

En la herramienta de doble cara, un borde presenta un afilado estilo "trompeta" para cortes más pesados ​​e interrumpidos, mientras que el otro tiene un afilado ligero para torneado continuo. Los bruñidores permiten “fuerzas de corte más bajas y al mismo tiempo una mejor calidad de la superficie y vida útil de la herramienta”, dijo Keilmann. "Fue una buena combinación desarrollar una nueva forma de borde y un nuevo revestimiento y luego implementarlos en las inserciones de doble cara".

Para Keilmann, aunque algunas personas tienen una idea estática de lo que pueden hacer las herramientas PCD y CBN, el desarrollo de herramientas no es nada estático a medida que las herramientas siguen mejorando. “Lo que siempre digo es: 'no reinventamos el carburo, no reinventamos el CBN'. Lo único que inventamos es el diseño de las herramientas y cómo se pueden aplicar para mejorar los procesos y trabajar con una mayor variedad de materiales'”.

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