Dominar el mecanizado de superaleaciones: Consejos de expertos para cortar los materiales más duros

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

El Inconel se encuentra entre las aleaciones metálicas menos mecanizables que existen. Lo mismo ocurre con Hastelloy, Nimonic, Waspaloy y Rene. Todas 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 metales importantes ostenten el elevado título de "superaleaciones".

El Inconel 718, por ejemplo, se usa ampliamente para fabricar componentes de la sección caliente en motores de turbina de gas, por lo que se le etiqueta como superaleación resistente al calor (HRSA).

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

El cobalto-cromo (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 superaleación: a base de níquel, a base de cobalto y a base de hierro. La mayoría son propietarias, desarrolladas por empresas como Haynes International y Special Metals Corporation (SMC) para uso aeroespacial y para entornos extremadamente calientes, fríos o corrosivos. Como se señaló, todas son difíciles de mecanizar, requiriendo equipos rígidos y herramientas de corte diseñadas para estos materiales exigentes.

Fresas, taladros e insertos de torneado

Afortunadamente, los talleres dispuestos a abordar HRSAs y otras superaleaciones tienen hoy muchas herramientas de corte para elegir.

Los tres fabricantes de herramientas de corte con los que hablamos para este artículo ofrecen fresas, taladros e insertos de torneado diseñados específicamente para tales materiales desafiantes, al igual que otros proveedores. La advertencia en cada caso, sin embargo, es que podrían necesitarse diferentes tácticas de mecanizado si los talleres quieren aprovechar estas herramientas a su máximo potencial.

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

Hace años, el enfoque convencional con superaleaciones era usar fresas con menos filos y atacarlas agresivamente, dice. Pero hemos visto con pruebas internas así como con nuestros clientes aeroespaciales que herramientas con mayor número de filos, cuando se aplican a profundidades de corte radiales bastante ligeras y velocidades de corte bajas a moderadas, son extremadamente efectivas en superaleaciones.

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

Hemos subido hasta un 20 % de DOC con una herramienta de 9 filos y ha funcionado muy bien, dice. La clave es utilizar esas trayectorias de herramienta de mecanizado de alta eficiencia para distribuir las fuerzas de corte y prevenir 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 deflexión común en el mecanizado de superaleaciones. Lo mismo hace Derek Nading, ingeniero de aplicaciones en M.A. Ford Mfg. Co. Inc., quien típicamente comienza con la TuffCut XT9 (serie 380) de la empresa cuando se enfrenta a una aplicación difícil de superaleación.

La XT9 es una fresa de 9 filos, paso variable, hélice de 37 grados que diseñamos para una gran cuenta aeroespacial como especial hace varios años, dice. Rápidamente descubrimos que ofrece un rendimiento inigualable en superaleaciones resistentes al calor, así que después de algunos ajustes adicionales —un recubrimiento basado en TiAlSiN (ALtima Xtreme) entre ellos— la convertimos en una oferta estándar.

Al igual que 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 máquinas herramienta y sus sistemas de control en los últimos años, la tecnología de fresado dinámico, junto con carburo recubierto, le da la mejor vida útil de herramienta y tasa de remoción de metal posible, dice Dirk Dietsch, gerente de negocio 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, mejor calidad de superficie de la pieza, reducción del calor crítico en la pieza de trabajo, además del proceso más consistentemente seguro contra fallo catastrófico de la herramienta de corte.

Mantenga su herramienta fresca

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

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

Greg Sage, gerente de producto regional para torneado en Kennametal, señala rápidamente que el carburo sólido no es el único juego en la ciudad para mecanizar superaleaciones; también está la cerámica.

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

Dada una sujeción rígida, grados como nuestra cerámica KYS25 pueden alcanzar velocidades de corte de 700 sfm o más en superaleaciones, aumentando enormemente el rendimiento, dice Sage. Y para operaciones de acabado, los insertos de torneado PCBN KB1630 de Kennametal hacen un trabajo fantástico. Lo importante, sin embargo, es que los talleres recuerden que hay muchas opciones ahí fuera, y deberían contactar a su proveedor de herramientas de corte para apoyo al decidir cuáles usar y cómo aplicarlas.

Haciendo las sujeciones super

Los fabricantes de herramientas de corte le dirán que un grado y geometría específicos para el material, sujeción rígida y la máquina herramienta correcta son todos necesarios 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 lo permite, usar refrigerante filtrado y bien mantenido a través de la herramienta a presiones de 70 bar o mayores (1000 psi) también es aconsejable. Por supuesto, esta afirmación se aplica igualmente bien a materiales menos exigentes, al igual que para la mayoría de operaciones de torneado.

La construcción del portaherramientas también merece consideración cuidadosa. Debido a que el arranque de la herramienta es una preocupación al desbastar superaleaciones, titanio e incluso aluminio, un Haimer Safe-Lock o portaherramientas antideslizante comparable es una buena inversión. También lo es un sistema de balanceo de herramientas. Como cualquier maquinista sabe, eliminar el runout y la vibración son clave para extender la vida útil de la herramienta y mejorar la calidad de la pieza; una de las mejores formas de lograr esto —además de usar portaherramientas hidráulicos, mecánicos o de contracción de alta calidad— es balancear el conjunto completo del portaherramientas antes de usarlo.

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

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

¿Cómo gestiona el mecanizado de materiales difíciles de cortar?

Mientras los fabricantes buscan ganar ventaja en un mercado global desafiante, entender cómo mecanizar ciertos metales es vital.

Las técnicas para mecanizar superaleaciones —metales notoriamente difíciles de mecanizar pero comunes en las industrias aeroespacial, energética y médica— son por tanto útiles de conocer.

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