• Materiales para herramientas de Corte

Los materiales de las herramientas de corte logran esta combinación de propiedades en varios grados. En los artículos de esta sección se analizaran los siguientes materiales de herramientas de cortes:

• Aceros al Carbono y de baja aleación.
• Aceros de alta velocidad.
  
• Fundición de aleación de cobalto.
• Carburos Cementados, Cermets y Carburos Recubiertos.
• Cerámicos.
• Diamantes sintéticos y Nitruro de boro cubico.

• Aceros al carbono y de baja aleación

Antes del desarrollo de acero de alta velocidad, los únicos materiales para corte de metales eran el acero al carbono y el acero de Mushet. En la actualidad estos aceros se usan esporádicamente en las aplicaciones industriales del maquinado de metales. Los aceros al carbono que se usaban como herramientas de corte podrían tratarse térmicamente para adquirir una dureza relativamente alta (Rockwell C60) debido a su relativamente alto contenido de carbono. Sin embargo a causa de los bajos niveles de aleación tienen una dureza en caliente muy pobre, lo cual los hace inútiles en el corte de metales, excepto a velocidades demasiado bajas según los estándares actuales. El acero de Mushet ha sido desplazado por los avances en la metalurgia del acero.

• Aceros de alta velocidad

Los aceros de alta velocidad, AAV  (en ingles HSS), son aceros de herramientas altamente aleados, capaces de mantener su dureza a elevadas temperaturas mejor que los aceros de baja aleación y poseen alto contenido de carbono. Su buena dureza en caliente permite el uso de estas herramientas a velocidades de corte más altas. Al compararlos con los materiales de herramientas usados antes de su desarrollo, se merecieron el nombre de “alta velocidad”. Se dispone de una amplia variedad de aceros de alta velocidad, pero se pueden dividir en dos tipos básicos:

• Tipo Tungsteno, designados como grado-T por el American Iron and Streel Institute (AISI).
• Tipo molibdeno, designados como grado-M por el AISI.

• Aleaciones de Fundición de cobalto

Los recubrimientos de aleaciones de cobalto contienen de 40 a 50% de cobalto; de 25 a 35% de Cromo; y tungsteno, por lo general de 15 a 20%, con trozos de otros elementos. Estas herramientas se hacen en la forma deseada a través de fundición en moldes de grafito y después se esmerilan para darle tamaños y afilado final. La resistencia al desgaste es mejor que la del acero de alta velocidad, pero no tanto como la de los carburos cementados. La tenacidad de las herramientas de fundición de cobalto es mejor que la de los carburos, pero no tan bueno como la de los HSS. La dureza en caliente se sitúa también entre los dos materiales.

• Carburos Cementados, Cermets y Carburos Recubiertos

• Carburos Cementados

So unas clase de material duros para herramientas formuladas con carburo de tungsteno (WC) y manufacturados con técnicas de metalurgia de polvo en las que se utilizan el carbono (Co) como aglutinante. Además de WC, puede haber otros compuestos de carburo en la mezcla, como carburo de titanio (Tic) o carburo de tantalio (Toc).

• Cermets

Aunque los carburos cementados se clasifican técnicamente como compuestos cermets, en la tecnología de herramientas de corte, el terminal cermets generalmente se reserva para las combinaciones de TiC, TiN y carbonitruro de titanio (TiCN) usando níquel y/o molibdeno como aglutinante. En otras palabras los cermets excluyen los compuestos metálicos que se basan principalmente en WC-Co. Las aplicaciones de los cermets incluyen acabados a altas velocidades y semiterminado de aceros, aceros inoxidables y fundiciones de hierro. Estos generalmente los carburos de grado corte de acero. Normalmente se usan menores avances y así se obtiene mejores superficies de acabado, eliminando muchas veces la necesidad de esmerilado.

• Carburos Recubiertos

Alrededor de 1970 se desarrollaron los carburos recubiertos, estos representa un avance significativo en la tecnología de herramientas de cortes. Los carburos recubiertos son insertos de carbono cementado recubierto con una o más capas delgadas de un material resistente al desgaste como carburo de titanio u oxido de aluminio (Al203). El recubrimiento se aplica al sustrato por deposición química de vapor. El espesor de recubrimiento es solamente 0.0001 a 0.0005 pulg (2,5 a 13 µm). Se ha observado que los recubrimientos más gruesos tienden a ser frágiles y producen agrietamientos y despostilla duros y separación de la base del inserto.

• Cerámicos

La Herramienta de corte hecha de cerámicos se usaron comercialmente por primera vez en estados unidos a mediados de la década de los cincuenta, aunque su desarrollo y uso en Europa se remonta a principios de 1900. En la actualidad las herramientas de corte a base de materiales cerámicos están compuestas primariamente de oxido de aluminio de grano fino, pesado y sinterizado a altas presiones y temperaturas sin aglutinante en forma de inserto. El oxido de aluminio es por lo general muy puro (99% típicamente), aunque algunos fabricantes añaden otros óxidos, como oxido de circonio en pequeñas cantidades. Es importante usa polvos de alúmina muy finos en la producción de herramientas cerámicas y maximizar la densidad de la mezcla a través de la compactación a alta presión, a fin de mejorar la baja tenacidad del material.

• Diamantes sintéticos y nitruro de boro cubico

El diamante es el material as duro que se conoce. Según algunas medidas de dureza, el diamante es cerca de tres o cuatro veces más duro que el carburo de tungsteno o que el oxido de aluminio. Como la alta dureza es una de las propiedades deseables de las herramientas de corte, es natural pesar en los diamantes para la aplicaciones de esmerilado y maquinado.

• Tipos de Virutas

• Viruta discontinua

Cuando se maquinan materiales relativamente frágiles (por ejemplo, hierro fundido) a bajas velocidades de corte, la viruta se forma frecuentemente en segmentos separados.

• Viruta Continua

Cuando se cortan materiales de trabajo dúctiles a velocidades altas con avances y profundidades pequeños se forman virutas largas y continuas. Cuando se forma este tipo de viruta se obtiene se obtiene un buen acabado de la superficie. Un borde cortante bien afilado en la herramienta y una baja fricción herramienta-viruta propician la formación de viruta continua.

• Viruta Continua con acumulación en el borde

Cuando se maquinan materiales dúctiles a velocidades bajas o medias, la fricción entre la herramienta y la viruta tiende a causar la adhesión de porciones de material de trabajo en la cara inclinada de la herramienta. Esta formación se llama acumulación de borde.

• Parámetros de corte

Para realizar una operación de  maquinado se requiere el movimiento relativo de la herramienta y el trabajo. El movimiento primario se realiza a una cierta velocidad de corte v. Además, la herramienta debe moverse lateralmente  a través del trabajo. Este es un movimiento mucho más lento, llamado el avance f. la dimensión restante del corte es la penetración de la herramienta de corte dentro de la superficie original del trabajo, llamada profundidad de corte d.

• Mecanismo y tipos de fallas en las herramientas de corte

El mecanismo general del desgaste entre dos superficies en contacto con movimiento relativo. El mecanismo específico que ocasiona el desgaste de la herramienta se puede resumir como sigue:

• Mecanismos

• Abrasión

Esta es una acción de desgaste mecánico debido a que las partículas duras en el material de trabajo rayan y remueven pequeñas porciones de la herramienta. Esta acción abrasiva ocurre tanto en el desgaste del flanco como en el desgaste en cráter, pero predomina en el desgaste del flanco.

• Adhesión

Cuando dos metales entran en contacto a alta presión y temperatura, ocurre la adhesión o soldado entre ellos. Esta condición está presente entre la viruta y la superficie de ataque de la herramienta. A medida que la viruta fluye a través de la herramienta, se rompen pequeñas partículas de la herramienta y se separan de la superficie provocando el desgaste de la superficie.

• Difusión

La difusión es un intercambio de átomos a través de un límite de contacto entre dos materiales. En el caso del desgaste de la herramienta, la difusión ocurre en el límite herramienta-viruta y ocasiona que la superficie de la herramienta queda agotada por los átomos que le imparten su dureza. Conforme este proceso continua, la superficie de la herramienta se vuelve más susceptible a la abrasión y a la adhesión. Se cree que la difusión es el principal mecanismo del desgaste en cráter.

• Deformación plástica

Otro mecanismo que contribuye al desgaste de la herramienta es la deformación plástica del borde cortante. Las fuerzas de corte que actúan en el borde de corte a altas temperaturas hacen que este se deforme plásticamente, haciéndolo más vulnerable a la abrasión de la superficie de la herramienta. La deformación plástica contribuye principalmente al desgaste del flanco

La mayoría de estos mecanismos de desgaste se aceleran a velocidades de corte y temperaturas más altas.

• Tipos de fallas en la herramienta de corte

Hay tres posibles fallas en una herramienta de corte:

• Falla por fractura

Este modo ocurre cuando la fuerza de corte se hace excesiva en la punta de la herramienta, causando una falla repentina por fractura.

• Falla por temperatura

Esta falla ocurre cuando la temperatura de corte es demasiado alta para el material de la herramienta, causando ablandamiento en la punta, deformación plástica y perdida del filo en el borde.

• Desgaste gradual

El desgaste gradual de borde cortante ocasiona perdida de la forma de la herramienta, reducción  en la eficiencia de corte, desgaste acelerado y falla final de la herramienta, a la falla por temperatura.

• Corte Ortogonal

El corte ortogonal usa por definición una herramienta en forma de cuña, en el cual el borde cortante es perpendicular a la dirección de la velocidad de corte. Al presionar la herramienta contra el material se formara una viruta por deformación cortante a lo largo de un plano llamado plano de corte, este forma un Angulo α determina la dirección en la que fluyen la viruta formada en la parte de trabajo y Angulo del claro provee un claro pequeño entre el flanco de herramienta y la superficie de trabajo recién generada.

• Torneado

Se usa una herramienta de corte con un borde cortante simple destinado a remover material de una pieza de trabajo giratoria para dar forma a un cilindro. El movimiento de la velocidad de torneado lo proporciona la parte de trabajo giratoria y el movimiento de avance lo realiza la

Herramienta de corte, moviéndose lentamente en una dirección paralela al eje de rotación de la pieza de trabajo.

• Taladrado

Se usa para crear un agujero redondo. Esto se realiza generalmente con una herramienta rotatoria que tiene dos filas cortantes. La herramienta avanzada en una dirección paralela a su eje de rotación dentro de la parte de trabajo para formar el agujero redondo.

• Fresado

Una herramienta rotatoria con múltiples filos cortantes se mueve lentamente sobre el material para generar un plano o superficie recta. La dirección del movimiento de avance es perpendicular al eje de rotación. El movimiento de velocidad lo proporciona la fresa rotatoria. Hay varias formas de fresado, siendo las dos básicas el fresado periférico y el fresado de frente.

• Fuerzas involucradas en el corte ortogonal

  
  

• Fuerza de fricción F

Es la fuerza de fricción entre la herramienta y la viruta que resiste el flujo de la viruta a lo largo de la cara inclinada de la herramienta.

• Fuerza normal a la fricción N

Es la fuerza perpendicular a la fuerza de la fricción. Los dos componentes se pueden usar para definir el coeficiente de fricción µ entre las herramientas y la viruta:

µ

La fuerza de fricción y su fuerza normal se pueden sumar vectorialmente para formar una fuerza resultante R, la cual se orienta en un Angulo β, llamado Angulo de fricción. El ángulo de fricción se relaciona con el coeficiente de fricción de la siguiente manera:

µ=tan β

Además de las fuerzas de la herramienta que actúan sobre la viruta, el trabajo impone dos componentes de fuerza sobre la viruta:

• Fuerza Cortante

  

Es la fuerza q causa deformación de corte que ocurre en el plano de corte.

• Fuerza normal a la cortante

  

Es la fuerza normal a la fuerza cortante.

Con base en la fuerza de corte podemos definir el esfuerzo cortante que actúa a lo largo del plano entre el trabajo y la viruta:

=

Donde = Área del plano del corte. Esta se puede Calcular como:

El esfuerzo cortante determinado por la ecuación representa el nivel de esfuerzo requerido para realizar las operaciones de maquinado. En el principio, este esfuerzo es igual al esfuerzo cortante del material de trabajo las condiciones en las que ocurre el corte.

La suma vectorial de las dos fuerzas componentes y da por resultado la fuerza resultante . Para que las fuerzas que actúan sobre la viruta estén balanceadas, la resultante debe ser igual en magnitud, pero en dirección opuesta y colineal con la resultante R.

Ninguna de las cuatro fuerzas componentes F, N, , pueden medirse directamente en una operación de maquinad. Sin embargo, es posible instrumentar en la herramienta de corte un dispositivo medidor de fuerzas llamado dinamómetro, de manera que se puedan medir directamente dos fuerzas componentes adicionales. Estos dos componentes actúan sobre la herramienta:

• Fuerza de corte

  

Es la fuerza que va en dirección del corte, la misma dirección de la velocidad de corte v.

• Fuerza de empuje

  

Es la fuerza que va en dirección de de . Es perpendicular a la fuerza de corte.

La fuerza de corte y la fuerza de empuje junto con la fuerza resultante . La dirección respectiva de esas fuerzas es conocida, así que los transductores de fuerza en el dinamómetro pueden alinearse en concordancia.

Tomando como base las fuerzas que pueden calcularse, es posible derivar las ecuaciones para relacionar los cuatros componentes de la fuerza que no pueden medirse. Usando el diagrama de fuerza, se pueden definir las siguientes relaciones trigonométricas:

• Vida de la herramienta

Se define como la longitud de tiempo de corte en el cual pueden usar la herramienta. Una forma de definir la vida de la herramienta consiste en permitir su operación hasta que ocurra una falla catastrófica. Sin embargo, en producción frecuentemente es inconveniente usar la herramienta y a los problemas que ocasionan a la calidad de las partes de trabajo. Como alternativa se puede seleccionar un nivel de desgaste como criterio de la vida de la herramienta y reemplazarla cuando el desgaste alcance este nivel. Un criterio conveniente de la vida de la herramienta es un cierto valor de desgaste del flanco o superficie de incidencia, como 0.020 pulg (0.05 mm).

• Ecuación de Taylor para la vida de las herramientas

Si los valores de la vida de las herramientas para las tres curvas de desgaste se trazan en una grafica log-log de velocidad de corte contra la vida de las herramientas, la relación resultante es una línea recta. El descubrimiento de esta relación hacia 1900 se le acredita a F. W Taylor. Se puede expresar en forma de ecuación y se llama la ecuación de Taylor para la vida de una herramienta:

Donde:

Velocidad de Corte, (m/min)

Vida de la herramienta, min

Son parámetros cuyos valores dependen de un avances, de la profundidad de corte, del material de corte, de la herramienta (material en particular) y del criterio usando para la vida de la herramienta. El valor de depende del material de la herramienta, mientras depende mas del material de trabajo y de las condiciones de corte.

• Influencia de la temperatura y la velocidad de corte en la vida de la herramienta

Por parte de la Temperatura

• La energía utilizada en la operación de corte eleva la temperatura de la pieza, herramienta viruta.
• La energía total del corte se utiliza en: Cizallamiento + Rozamiento.
• Distribución de temperaturas:

Punto X:

Se incrementa la temperatura por conducción, elevándose rápidamente cuando el punto pasa por la zona primaria y posteriormente algo más cuando accede a la zona secundaria.

Punto Y:

Pasa por la zona primaria y secundaria, su calentamiento continúa hasta que deja la zona secundaria. La temperatura máxima se obtiene sobre la cara de desprendimiento a una cierta distancia de arista de corte.

Punto Z:

Se calienta por conducción cuando pasa por debajo de la arista de corte.

Por parte de la Velocidad

Resulta evidente que la velocidad de corte no puede ser elegida arbitrariamente, ya que con la velocidades pequeñas, el tiempo de mecanizado es grande, mientras que si las velocidades son muy elevadas, se calienta el filo de corte por encima de temperaturas permitidas por el material de la misma y como consecuencia se pierde rápidamente el filo de la herramienta, teniendo que refilarla con lo que aumentan los tiempo no productivos y como consecuencia gastos