Comprensión de la maquinabilidad:mediciones y factores clave

Comencemos con la pregunta principal a responder:¿qué es la maquinabilidad? En palabras simples, la maquinabilidad es la facilidad con la que se puede cortar (mecanizar) un material para lograr la calidad deseada de la pieza. La calidad de las piezas aquí se refiere a características como precisión dimensional, tolerancias y acabado superficial.

Los materiales con alta maquinabilidad generalmente requieren menos tiempo y energía para mecanizarse, causan menos desgaste de las herramientas y tienen una mejor calidad superficial. Es comprensible que, desde el punto de vista de la producción, siempre sean preferibles los materiales con alta maquinabilidad. Sin embargo, es posible que esto no siempre coincida con la perspectiva del diseñador, que busca alta resistencia, rendimiento y estabilidad térmica, lo que no siempre es el caso con materiales fáciles de mecanizar.

Esto crea una compensación interesante entre los diferentes requisitos de ingeniería, de la que hablaremos más en este artículo.

Factores que afectan la maquinabilidad

Numerosos factores entran en juego cuando se habla de la maquinabilidad de los materiales. Estos provienen de las propiedades principales del material, sus tratamientos de posproducción y las condiciones de corte.

1. Propiedades de los materiales

El conjunto más importante de características que afectan la maquinabilidad son las propiedades del material. Dado que cada material tiene un conjunto único de propiedades, los ingenieros deben comprender el impacto que cada propiedad tiene en la maquinabilidad para poder tomar decisiones informadas.

1.1 Dureza

La dureza es un factor clave para determinar la maquinabilidad de los materiales, ya que define qué tan difícil es "cortar" la superficie. Dado que la herramienta de mecanizado interactúa principalmente con la superficie de la pieza de trabajo, la dureza es una característica importante de la maquinabilidad.

Generalmente, los materiales más duros como el Inconel requieren más potencia para cortar ya que la herramienta debe ejercer una fuerza mayor. Además, las herramientas se desgastan más rápidamente al mecanizar materiales duros. En resumen, una alta dureza significa una baja maquinabilidad.

1.2 Dureza

La tenacidad es otro parámetro crítico para determinar la maquinabilidad. Los materiales con alta tenacidad, como los aceros con alto contenido de carbono, son buenos para absorber las fuerzas de corte y resistir la deformación, lo que requiere fuerzas de corte más altas y herramientas más duraderas.

Además, los materiales resistentes producen virutas largas y fibrosas debido a su alta ductilidad. Si bien esto es bueno para mantener una acción de corte suave y una transferencia de calor efectiva, las virutas largas con frecuencia se enredan con la herramienta, lo que provoca retrasos en el corte y desgaste de la superficie de la pieza de trabajo.

1.3 Conductividad térmica

Los procesos de mecanizado generan calor debido al cizallamiento del material. Por lo tanto, la gestión térmica en la interfaz de corte es muy importante para procesos de corte eficaces. En términos de transferencia de calor, esto depende en gran medida de la conductividad térmica del material.

Los materiales difíciles de cortar generalmente tienen una baja conductividad térmica, lo que significa que la energía térmica generada en la interfaz de corte no se disipa rápidamente. Esto provoca varios efectos negativos, como el ablandamiento térmico de la pieza y la herramienta, una menor vida útil de la herramienta y una precisión dimensional. Un ejemplo clásico de este tipo de material es el titanio, que presenta todos estos problemas.

La baja conductividad térmica también impide el uso de altas velocidades de corte y avances, ya que el calor generado no se transfiere de manera efectiva.

2. Condiciones de corte

La maquinabilidad tiene que ver con cómo se comporta un material cuando se corta. Por lo tanto, además de las propiedades del material, las condiciones de corte también afectan la maquinabilidad de los materiales.

2.1 Parámetros de corte

Los principales parámetros de corte en el mecanizado son la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte. Optimizar los tres es beneficioso desde la perspectiva de la producción, ya que da como resultado una mayor tasa de eliminación de material. Sin embargo, esto no siempre es posible.

Las velocidades de corte más altas generalmente hacen que los materiales sean menos mecanizables debido a la generación excesiva de calor y la fricción que causan el desgaste de las herramientas. Sin embargo, mejora el acabado superficial en la mayoría de los casos. Al mismo tiempo, el aumento del avance de corte produce mayores cargas de viruta y fuerzas de corte. Esto puede dañar la herramienta y provocar vibraciones excesivas.

La profundidad de corte también está relacionada positivamente con las fuerzas de corte, el consumo de energía y la generación de calor. Se trata de impactos sobre la herramienta y la pieza de trabajo. Además, una mayor profundidad de corte también afecta negativamente a la integridad de la superficie al crear tensiones mecánicas y térmicas.

Además, la profundidad de corte también contribuye principalmente a la estabilidad dinámica de los procesos de corte. Aumentarlo más allá de cierto límite puede provocar vibraciones que son perjudiciales para la herramienta y la máquina.

2.2 Herramienta de corte

Las cortadoras CNC tienen características geométricas complejas que impactan significativamente la maquinabilidad. El ejemplo más evidente es el del ángulo de ataque (ángulo del filo). Un ángulo de ataque negativo reduce las cargas de corte y mejora la formación de viruta, que son signos de alta maquinabilidad. Sin embargo, también debilita la herramienta.

De manera similar, otro factor es el ángulo libre, que afecta los indicadores de maquinabilidad como el desgaste de la herramienta y la disipación de calor.

2.3 Enfriamiento y Lubricación

Los maquinistas suelen aplicar refrigerantes y lubricantes a la interfaz herramienta-pieza para mejorar la maquinabilidad de los materiales. Estos mejoran la eliminación de calor y las propiedades de fricción del material, lo que conduce a una acción de corte más suave, un mejor acabado superficial y una mayor vida útil de la herramienta.

2.4 Condición de la máquina herramienta

El estado de la máquina CNC es otro factor que determina la maquinabilidad. Las máquinas más antiguas generalmente tienen juego en las transmisiones de sus ejes y vibran más bajo cargas de corte dinámicas. Esto dificulta el mecanizado, haciendo que la máquina sea incapaz de manejar materiales difíciles de cortar.

¿Qué es el índice de maquinabilidad?

Con una gran variedad de materiales mecanizables en la caja de herramientas de un ingeniero, puede resultar complicado compararlos en términos de maquinabilidad. Uno de los métodos populares para medir la maquinabilidad de los materiales es a través de su índice de maquinabilidad.

Una característica estándar de las clasificaciones de maquinabilidad es tener un material de referencia para una comparación conveniente. Por ejemplo, uno de los materiales estándar es el latón C36000 con un índice de maquinabilidad del 100 %. A medida que los materiales se vuelven más difíciles de cortar, su clasificación respectiva disminuye. Por ejemplo, AISI 1018 tiene una calificación del 70%, lo que indica una maquinabilidad promedio.

¿Por qué es importante un cuadro de maquinabilidad?

Generalmente, las clasificaciones de maquinabilidad se documentan en una tabla de maquinabilidad que se encuentra en todos los talleres de máquinas CNC. Con un cuadro de maquinabilidad fácil de navegar en la mano, es fácil y rápido comparar la maquinabilidad en todo el espectro de materiales de ingeniería.

El objetivo principal de este sistema de calificación es apoyar las decisiones de ingeniería. Para un ingeniero de diseño, ofrece ayuda para comprender cualquier complicación de producción de un material en particular que esté eligiendo. Esto es útil en situaciones prácticas.

Por ejemplo, si eligen un material difícil de cortar, pueden indicarlo en el dibujo de ingeniería mediante una nota especial o incluir específicamente un requisito de acabado superficial para garantizar que el maquinista comprenda completamente la intención del diseño. Para un maquinista, ayuda a seleccionar herramientas, parámetros de corte y condiciones de lubricación/enfriamiento.

Diferentes métodos para mejorar la maquinabilidad

Los talleres mecánicos adoptan varias estrategias para hacer que los materiales sean más mecanizables. Esto conlleva varios beneficios, como un mecanizado más productivo, menores costos y, en general, una mayor calidad de los productos.

Tratamiento térmico

La dependencia de las propiedades del material con la maquinabilidad se cubrió en detalle en las secciones anteriores. Por lo tanto, cuando hablamos de mejorar la maquinabilidad, alterar las propiedades del material es la idea más importante en la lista de acciones.

El tratamiento térmico es un método eficaz para mejorar la maquinabilidad de los materiales. Por ejemplo, los materiales CNC comunes, como el acero y el aluminio, a menudo se recocen para reducir su dureza, refinar la estructura del grano y aliviar las tensiones internas.

Aditivos materiales

El uso de aditivos de materiales es otro método para mejorar la maquinabilidad. El tema central es incorporar aditivos materiales en la estructura reticular del material base para que sus propiedades mecánicas sean fáciles de mecanizar.

Por ejemplo, la adición de zinc para formar aleaciones de cobre como el latón mejora drásticamente la maquinabilidad del cobre puro, lo que permite menores fuerzas, fricción y una mejor formación de virutas. De hecho, muchas normas de clasificación de maquinabilidad utilizan la aleación de cobre C36000, que contiene zinc, como material de referencia debido a su alta maquinabilidad.

Refrigerante/Lubricante

La optimización de las condiciones de corte, particularmente la aplicación de refrigerantes/lubricantes, puede mejorar notablemente la maquinabilidad. El uso de tales agentes mejora las propiedades tribológicas en la interfaz herramienta-pieza, haciendo que el material de la pieza sea más fácil de cortar.

Los lubricantes disminuyen la fricción y la consiguiente generación de calor, disminuyendo factores como el desgaste de las herramientas y las tensiones inducidas por el calor. Además, también permite a los maquinistas utilizar parámetros de corte más agresivos, lo que lleva a una mayor tasa de eliminación de material.

Los refrigerantes mejoran las propiedades de disipación de calor en la interfaz de corte. Al transferirse más calor eficientemente fuera de la zona de corte, se producen menores tensiones térmicas, imprecisiones dimensionales y roturas de herramientas.

Optimización de parámetros de corte

Por último, una selección informada de los parámetros de corte también puede influir positivamente en la maquinabilidad de los materiales. La mayoría de las veces, la ecuación es simple. Las velocidades, avances y profundidad de corte más altos disminuyen la maquinabilidad y viceversa.

Sin embargo, también existen algunos casos contrarios a la intuición, que requieren que los fabricantes tengan un conocimiento profundo de los principios básicos del corte de metales. El caso, por ejemplo, del borde edificado. Si los maquinistas observan una alta tasa de adhesión del material en los insertos de sus herramientas, lo cual es malo para la vida útil de la herramienta, aumentar un poco la velocidad de corte o el avance puede ser beneficioso en términos de menor acumulación de filo y menor desgaste de la herramienta.

¿Cómo se mide la maquinabilidad?

Si bien no existe una forma estándar de calcular la maquinabilidad de un material, existen algunos sistemas generalmente aceptados. La mayoría de ellos se basan en dos componentes principales:tener un conjunto de criterios para estimar la maquinabilidad de los materiales y un material de referencia para clasificar otros materiales para facilitar la comparación.

Vida útil de la herramienta de corte

La vida útil de la herramienta de corte es una de las medidas más prácticas de maquinabilidad, ya que tiene un impacto directo en la productividad, la calidad y las finanzas. El principio es calificar la maquinabilidad de los materiales en términos de cuánto tiempo se puede utilizar una herramienta de corte en un material antes de que sea necesario reemplazarla o reafilarla. Esto, por supuesto, considera constantes todos los demás factores, como la geometría de la herramienta.

Es comprensible que los materiales con alta maquinabilidad no causen un alto desgaste de la herramienta ni daño térmico, por lo que la vida útil de la herramienta es larga. Por otro lado, los materiales difíciles de cortar como el acero desgastan rápidamente la herramienta.

Uno de los métodos para medir esto matemáticamente es utilizar la ecuación de vida de la herramienta de Taylor:

Aquí, Vc y T corresponden a la velocidad de corte y la vida útil de la herramienta, respectivamente. Los demás parámetros se relacionan con las condiciones de corte y el material de la herramienta, que permanecen fijos para los análisis de maquinabilidad. Los materiales que permiten velocidades de corte más altas manteniendo una vida útil similar a la del material de referencia se consideran más mecanizables.

Acabado superficial

El acabado superficial es otro parámetro común para medir la maquinabilidad. Es un parámetro viable ya que cualquier cambio en la maquinabilidad se refleja la mayoría de las veces directamente en un cambio en la calidad de la superficie. Por ejemplo, los materiales duros tienen una baja maquinabilidad y un acabado superficial rugoso debido al desconchado y la fricción.

Además, medir el acabado de la superficie también es bastante conveniente. En general, es visible para los maquinistas. Además, los ingenieros también pueden utilizar probadores de superficies fáciles de usar para mapear rápidamente el acabado de una superficie mecanizada.

Consumo de energía

El mecanizado consume energía debido a las fuerzas de corte. Los materiales difíciles de cortar requieren más fuerza para cortar. Por tanto, consumen más energía. Para materiales que se cortan fácilmente, ocurre el caso contrario.

Debido a esta relación tan sencilla entre maquinabilidad y consumo de energía, es una medida popular de la maquinabilidad de los materiales.

Clasificación de maquinabilidad

La calificación de maquinabilidad es otra forma de medir la maquinabilidad de los materiales. Si bien no es tan científico como los otros métodos, es un método muy práctico que se utiliza ampliamente en entornos de talleres mecánicos.

Materiales CNC comunes y su maquinabilidad

Todo el conjunto de materiales de mecanizado CNC es demasiado grande para incluirlo. Por lo tanto, en esta sección, compartimos una muestra representativa de materiales CNC y sus calificaciones relativas de maquinabilidad para brindar una descripción general de la maquinabilidad de los materiales.

Categoría de materialMaterialMaquinabilidad (%)Metales Latón de fácil mecanización (C36000)100Aluminio (6061-T6)90-95Acero inoxidable austenítico (AISI 304)30-40Titanio (grado 5, Ti-6Al-4V)20-25PlásticosPolietileno (HDPE)90Policarbonato80Cloruro de polivinilo (PVC)70CompuestosPolímero reforzado con fibra de carbono40-50Polímero reforzado con fibra de vidrio30-40CerámicaAlúmina (óxido de aluminio)30Zirconia (dióxido de circonio)15Materiales orgánicosMadera blanda (por ejemplo, pino)90Madera dura (por ejemplo, roble)70