Mecanizado de superaleaciones:los expertos ofrecen consejos para materiales difíciles de cortar

Obtener una ventaja en el competitivo mundo del mecanizado actual requiere que los talleres se mantengan al tanto de la tecnología de herramientas de corte. Aquí hay algunas soluciones para superaleaciones, metales que son notoriamente difíciles de mecanizar pero comunes en las industrias aeroespacial, energética y médica.

Inconel se encuentra entre las menos mecanizables de todas las aleaciones metálicas. Lo mismo ocurre con Hastelloy, Nimonic, Waspaloy y Rene. Todos contienen cantidades relativamente altas de níquel, cobalto o cromo (a veces los tres) y metales refractarios como molibdeno y tantalio.

Dada su extrema tenacidad, dureza y resistencia al calor y al desgaste, no debería sorprender que estos importantes metales lleven el elevado título de "súper aleaciones".
 

Inconel 718, por ejemplo, se usa ampliamente para fabricar los componentes de la sección caliente que se encuentran en los motores de turbina de gas, razón por la cual está etiquetado como una superaleación resistente al calor (HRSA).

Monel K-500 es altamente resistente al vapor y al agua de mar, lo que lo convierte en el favorito para aplicaciones marinas.

El cromo cobalto (CoCR), por otro lado, se usa para todo, desde puentes dentales y rodillas artificiales hasta turbinas eólicas y anillos de boda.

Existen tres clases generales de superaleaciones:con base de níquel, con base de cobalto y con base de hierro. La mayoría son patentados, desarrollados por empresas como Haynes International y Special Metals Corporation (SMC) para uso aeroespacial y para entornos extremadamente calientes, fríos o corrosivos. Como se señaló, todos son difíciles de mecanizar y requieren equipos rígidos y herramientas de corte diseñadas para estos materiales exigentes.

Fresas, brocas y plaquitas para torneado

Afortunadamente, los talleres mecánicos dispuestos a abordar las HRSA y otras superaleaciones tienen muchas herramientas de corte para elegir en estos días.

Los tres fabricantes de herramientas de corte con los que hablamos para este artículo ofrecen fresas, brocas y plaquitas de torneado diseñadas específicamente para materiales tan difíciles, al igual que otros proveedores. Sin embargo, la advertencia en cada caso es que se pueden necesitar diferentes tácticas de mecanizado si los talleres quieren aprovechar estas herramientas en todo su potencial.

Por ejemplo, KYOCERA SGS Precision Tools Inc. tiene sus fresas de extremo de la serie Multi-Carb, que el ingeniero de aplicaciones Jacob Rak señala que están disponibles con 7, 9 u 11 canales y cuentan con un núcleo muy pesado para la rigidez.

“Hace años, el enfoque convencional con las superaleaciones era utilizar fresas con menos ranuras y atacarlas agresivamente”, dice. “Pero hemos visto con las pruebas internas y con nuestros clientes aeroespaciales que las herramientas con un mayor número de flautas, cuando se aplican a profundidades de corte relativamente ligeras y velocidades de corte de bajas a moderadas, son extremadamente efectivas en superaleaciones”.

Dependiendo del material específico, Rak generalmente recomienda comenzar con una profundidad de corte radial (DOC) no superior al 5 por ciento del diámetro de la herramienta. Eso suponiendo, por supuesto, que se utilice un mecanizado de alta eficiencia (HEM) o una estrategia de fresado dinámico, ya que sirven para adelgazar la viruta y reducir el calor en la zona de corte.

“Hemos subido hasta un 20 por ciento de DOC con una herramienta de 9 flautas y ha funcionado muy bien”, dice. "La clave es utilizar esas trayectorias de herramientas de mecanizado de alta eficiencia para distribuir las fuerzas de corte y evitar picos en la carga de la herramienta".

Uso de una herramienta de núcleo pesado

Rak reitera la necesidad de una herramienta de núcleo pesado, ya que esto reduce la desviación común con el mecanizado de superaleaciones. Lo mismo ocurre con Derek Nading, ingeniero de aplicaciones de M.A. Ford Mfg. Co. Inc., que normalmente comienza con la TuffCut XT9 (serie 380) de la empresa cuando se enfrenta a una aplicación de superaleación difícil.

“La XT9 es una fresa de mango helicoidal de 37 grados, de paso variable y 9 canales que diseñamos para una gran cuenta aeroespacial como especial hace varios años”, dice. "Nos dimos cuenta rápidamente de que ofrece un rendimiento inigualable en superaleaciones resistentes al calor, por lo que después de algunos ajustes adicionales, entre ellos un recubrimiento basado en TiAlSiN (ALtima Xtreme), lo convertimos en una oferta estándar".

Al igual que con SGS y otros fabricantes de herramientas de corte, M.A. Ford también sugiere que una estrategia de fresado trocoidal es el camino claro a seguir en el mecanizado de superaleaciones.

"Con los avances en las máquinas herramienta y sus sistemas de control en los últimos años, la tecnología de fresado dinámico, junto con el carburo revestido, le brinda la mejor vida útil de la herramienta y la mejor tasa de remoción de metal posible", dice Dirk Dietsch, gerente comercial regional para la región de los Grandes Lagos de M.A. Ford. .

“Sin embargo, estas no son las únicas ventajas del fresado dinámico”, añade. “También proporciona fuerzas de corte más bajas, mejora la calidad de la superficie de la pieza, reducción del calor crítico en la pieza de trabajo, además del proceso más consistentemente seguro contra fallas catastróficas de la herramienta de corte”.

Mantener su herramienta fresca

Ambos especialistas en herramientas de corte enfatizan la necesidad de una configuración rígida y una máquina herramienta igualmente robusta, al igual que Steve Archambault, gerente regional de productos de Kennametal Inc. Cuando se le preguntó cuál de las fresas de la compañía es mejor para el mecanizado exitoso de superaleaciones, marcó varias posibilidades pero destacó el HARVI 1 TE como su primera opción.

“Hay algunos trucos en su diseño que permiten que el HARVI 1 TE funcione más suavemente y con menos fricción”, dice. “En estas aleaciones de alta temperatura, esta última parte, el calor y la fricción, es un gran problema. Con un relieve facetado excéntrico, corte especial de virutas y un núcleo parabólico para mayor resistencia, esta herramienta tiene todos los atributos necesarios para un corte eficiente de superaleaciones”.

Greg Sage, gerente regional de productos para torneado en Kennametal, se apresura a señalar que el carburo sólido no es el único juego en la ciudad para el mecanizado de superaleaciones; también hay cerámica.

Sage secunda los consejos de los demás sobre la rigidez, pero añade que es especialmente necesario con herramientas como las fresas de mango totalmente cerámicas de Kennametal y en aplicaciones de torneado donde se utiliza cerámica o PCBN (nitruro de boro cúbico policristalino).

“Dada una configuración rígida, los grados como nuestra cerámica KYS25 pueden alcanzar velocidades de corte de 700 sfm o más en superaleaciones, lo que aumenta considerablemente el rendimiento”, dice Sage. “Y para las operaciones de acabado, las plaquitas de torneado PCBN KB1630 de Kennametal hacen un trabajo fantástico. Sin embargo, lo que es importante es que los talleres recuerden que existen muchas opciones y que deben comunicarse con su proveedor de herramientas de corte para obtener ayuda al momento de decidir cuáles usar y cómo aplicarlas”.

Configuraciones increíbles

Los fabricantes de herramientas de corte le dirán que se necesita un grado y una geometría específicos del material, una configuración rígida y la máquina herramienta adecuada para el mecanizado exitoso de superaleaciones resistentes al calor como Inconel y Hastelloy.

Son correctos, por supuesto, pero hay más en la historia de HRSA que eso.

Si el taladro o la fresa frontal lo permiten, también se recomienda utilizar refrigerante filtrado y bien mantenido a través de la herramienta a presiones de 70 bar o más (1000 psi). Por supuesto, esta afirmación se aplica igualmente bien a materiales menos exigentes, al igual que a la mayoría de las operaciones de torneado.

La construcción del portaherramientas también merece una cuidadosa consideración. Debido a que la extracción de la herramienta es una preocupación cuando se desbastan superaleaciones, titanio e incluso aluminio, un Haimer Safe-Lock o un portaherramientas antideslizante similar es una buena inversión. También lo es un sistema de equilibrio de herramientas. Como sabe cualquier maquinista, la eliminación del descentramiento y la vibración es clave para prolongar la vida útil de la herramienta y mejorar la calidad de la pieza; una de las mejores maneras de lograr esto, además de utilizar portaherramientas hidráulicos, mecánicos o de ajuste por contracción de alta calidad, es equilibrar el conjunto completo del portaherramientas antes de su uso.

Siga estos pasos y pronto descubrirá que las superaleaciones no son tan difíciles después de todo.

¿Qué consejos y técnicas puede ofrecer sobre el mecanizado de superaleaciones? Comparta sus pensamientos e ideas en los comentarios a continuación.

¿Cómo gestiona el mecanizado de materiales difíciles de cortar?

A medida que los fabricantes buscan obtener una ventaja en un mercado global desafiante, es vital comprender cómo mecanizar ciertos metales.

Por lo tanto, es útil conocer las técnicas para mecanizar superaleaciones, metales que son notoriamente difíciles de mecanizar pero comunes en las industrias aeroespacial, energética y médica.

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