Materiales herramientas corte

Tema 3. 1-Propiedades de los materiales para herramientas de corte

Dureza en caliente:capacidad que tiene un material para mantener su dureza, resistencia a la deformación plástica y resistencia al desgaste a altas temperaturas.

Tenacidad:capacidad de un material para disipar energía en la deformación plástica antes de alcanzar la fractura.

Ductilidad: capacidad de un material para deformarse plásticamente sin fracturarse.

R.impacto mecánico:capacidad que tiene un material de absorber energía de un impacto sun producir fisuras.

R.aldesgaste:resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto con otro material.

R.impacto térmico:capacidad de un material para soportar los ciclos rápidos de temperatura de mecanizado interrumpido.

Dureza:resistencia que ofrece un material a dejarse penetrar, rayar, marcar,etc.

Características de los materiales para herramientas corte

Aceros alta velocidad,aleaciones cobalto,carburos no recubiertos,carburos recubiertos,cerámicos,nitruro de boro cúbico policristalino,Diamante

normal:Dureza en caliente, resistencia al desgaste, velocidad de corte,costo del material

inverso:tenacidad,resis impacto,res.desgaste,r.astillado,res.impacto térmico.

ACERO DE ALTA VELOCIDAD, HSS: pricipios siglo XX. PROPIEDADES: alta tenacidad, buena resistencia al desgaste, relativamente económicos. ADECUADOS PARA :herramientas de ángulos grandes y positivos de ataque/ Cortes interrumpidos/Máquinas-herramienta con baja rigidez,sujetas a vibraciones/herramientas complejas y de una sola pieza/Brocas,machos de roscar y engranajes- LIMITACIONES:velocidades de corte bajas por su baja resistencia en caliente. TIPOS: serie M (al molibdeno), serie T al Tugsteno. (M:mayor resistencia a la abrasión, menos distorsión durante el tratamiento térmico y menos costosa que T)     95% de HSS son M.

ALEACIONES DE COBALTO, 1915. COMPOSICIÓN: 38-53% Co, 30-33% Cr y 10-20%W- PROPIEDADES: menor tenacidad que HSS/Buena resistencia al desgaste/mantienen dureza a temperaturas mas elevadas que HSS. SON ADECUADOS PARA:cortes de desbaste, profundos y continuos/avances elevados (doble que hss) LIMITACIONES: no son aptas para operaciones de acabado/son menos adecuadas para operaciones de corte interrumpido que los HSS

CARBUROS METÁLICOS: conocidos como carburos cementados o sinterizados o no recubiertos. Desarrollados por 1º vez en la década de 1930, es de los materiales de herramientas más utilizados y versátiles y menor costo efectivo. PROPIEDADES: Alto módulo elástico/Elevada dureza en un amplio intervalo de temperaturas/Alta conductividad térmica/Baja dilatación térmica/Relativamente económicos. Comparación con los HSS y aleaciones de cobalto fundido: Poseen similar tenacidad y resistencia al impacto. Mejoran la resistencia y la dureza en caliente. Pueden utilizarse con mayor eficacia para altas velocidades de corte (altas temperaturas). TIPOS: carburo de tungsteno (WC) y Carburo de titanio (TiC)
 

HERRAMIENTAS RECUBIERTAS: Origen de los recubrimientos para herramientas de corte: Desarrollo de nuevos materiales (aleaciones, a partir 1960). Alta resistencia y mayor tenacidad.
Propiedades: Menor fricción. Mayor adhesión intermolecular. Mayor resistencia al desgaste. Actúan como barrera a la difusión.  Mayor dureza en caliente y resistencia al impacto. Herramientas recubiertas pueden tener una vida útil 10 veces mayor. Permiten mayores velocidades de corte (aumentan la productividad). Un 40-80% de las herramientas de corte utilizan recubrimientos.

Materiales más utilizados: TiN, TIC, TiCN (carbonitruro de titanio) y Al2 O3 .
Espesores: de 2-15 MUm/Deposición química de vapor (CVD) y deposición física de vapor (PVD)   CVD: Método más utilizado para recubrimiento de carburos con fases múltiples y cerámicos.
PVD: Recubrimientos de TiN en carburos, más resistencia del filo de corte, menos fricción, menor tendencia a la formación de filo recrecido, más liso y uniforme ( de 2 a 4 MUm). Objetivos de los recubrimientos: Aumentar la dureza a elevadas temperaturas (resistencia al desgaste. Estabilidad química y neutralidad (mayor resistencia al desgaste). Baja conductividad térmica (evitar elevación de temperatura en el sustrato). Compatibilidad y buena adherencia con el sustrato. Baja porosidad (mantener integridad y resistencia). MATERIALES DE RECUBRIMIENTO: 1-Recubrimientos de Nitruro de Titanio (TIN, color dorado): Bajos coeficientes de fricción. Dureza elevada. Resistencia a temperaturas altas.Buena adhesión al sustrato. Mejoran la vida útil de herramientas de HSS y carburos. Buen rendimiento a mayores velocidades de corte y avance. Menores desgastes de filo principal que sin recubrimientos. Mal comportamiento a bajas velocidades (adhesión de viruta), requiere uso de fluidos de corte. 2-Recubrimientos de Carburo de Titanio (Ti C): Se implementan sobre insertos de carburo de tungsteno.„Ï Confieren a la herramienta alta resistencia al desgaste de flanco al mecanizar materiales abrasivos.3- Recubrimientos cerámicos (Al2 O3 ):Neutralidad química. Baja conductividad térmica.Resistencia a temperaturas elevadas.Resistencia al desgaste de cráter y de flanco.El más utilizado es el óxido de aluminio.Al ser muy estables, se unen con debilidad al sustrato. 4- Recubrimiento de diamante comercial (policristalino):Recubren sustratos de WC (y nitruro de silicio, SiN).Técnicas de PVD y CVD se depositan finas capas de recubrimiento.Efeciencia en el mecanizado de metales no ferrosos y meteriales abrasivos: aleaciones de aluminio con silicio, composites reforzados con fibras y con matrizz metálica, y grafito.Vida útil 10 veces superior a otros recubrimientos. Otros recubrimientos:Carbonitruro de Titanio (TiCN): es más duro y tenaz que el TiN. Nitruro de Aluminio Titanio (TiAlN). Carburo de cromo (CrC). Nitruro de Zirconio ((ZrN). Nitruro de Hafnio (HfN).Recubrimientos nanocapa. Recubrimiento de composites.

CERÁMICOS BASE ALÚMINA (Al2 O3 ). Aparecen por primera vez en la década de 1950.Conformado:Formados fundamentalmente por Al2O3 de alta pureza de grano fino. Se prensan en frío para darles la forma del inserto. Se sinterizan a elevada temperatura. Adicción de TiC y ZrO mejora la tenacidad y resistencia al impacto térmico.Propiedades: Resistencia elevada a la abrasión y alta dureza en caliente.„Ï Químicamente son más estables que HSS y Carburos, por lo que tienen menos tendencia al filo recrecido. ÏBaja tenacidad> falla prematura.Efectivos a alta velocidad y en corte continuo (mecanizado de fundiciones).Se mecaniza en seco o con abundancia de fluido de corte (choque térmico).

CERÁMICOS: Aparecen por primera vez en la década de 1950.Conformado: Partículas cerámicas en matriz metálica.70% Al2O3 + 30% de TiC. Propiedades:Inconvenientes: Fragilidad y alto coste.
Ventajas: Estabilidad y resistencia a la formación de filo recrecido. Muy mejorados en las últimas décadas (tenacidad, resistencia y fiabilidad). Sus prestaciones están entre los cerámicos y los carburos metálicos. Cortes ligeros de desbaste y acabados de alta velocidad. El diseño de los rompe virutas es crítico en los cermets.

NITRURO DE BORO CÚBICO. Después del diamante, el nitruro de boro cúbico (cBN) es el material más duro que existe. Conformado: Se une un inserto de cBN a un sustrato de carburo mediante sinterización a alta temperatura y presión. Propiedades: El carburo proporciona resistencia al impacto.La capa de cBN aporta resistencia muy elevada al desgaste y resistencia del filo de corte.

CERÁMICOS CON BASE DE NITRURO DE SILICIO: Aparecen por primera vez en la década de 1970. Conformado:SiN con adiciones de Al2O3, óxido de itrio y TiC. Propiedades:Tenacidad. Dureza en caliente. Resistencia al impacto térmico.Limitaciones: Debido a su afinidad química con el hierro a altas temperaturas, las herramientas con base de SiN no son adecuadas para mecanizar aceros.

DIAMANTE: Sustancia más dura que se conoce. Propiedades:Baja fricción. Alta resistencia al desgaste. Capacidad de mantener su filo de corte. Se utilizan cuando:Se requiere buen acabado superficial. Buena precisión dimensional

FLUIDOS DE CORTE:  Se utilizan para: Reducir la fricción y el desgaste. Enfriar la zona de corte. Reducir las fuerzas y el consumo de energía. Retirar las virutas de la zona de corte. Proteger la superficie mecanizada de la corrosión ambiental. Tipos de fluidos de corte: A. Aceites: Operaciones de baja   V donde el incremento  de T no es significativo/ B. Emulsiones (aceite, agua y aditivos): Operaciones de alta V donde el incremento T es significativo/A. Semisintéticos: emulsiones químicas que contienen aceite mineral diluido en agua y aditivos que reducen el tamaño de las partículas de aceite./ Sintéticos: productos químicos con aditivos, diluidos en agua y sin aceite

MÉTODOS DE APLICACIÓN DE LOS FLUIDOS DE CORTE 1- Inundación o enfriamiento por inundación:Método más común. 2: Niebla o enfriamiento por niebla: Modo semejante a un aerosol.
Suministra fluido a las áreas inaccesibles. Requiere ventilación para evitar inhalaciones. 3.Sistema de alta presión:Aumentan la velocidad de disipación del calor. Actúan como rompevirutas.4. Mediante el sistema interno en herramienta de corte Facilitan el suministro de fluido a la zona de corte. Se aplican fluidos de alta presión a través de estrechos pasajes tanto en la herramienta, como en portaherramientas. EFECTOS DE LOS FLUIDOS DE CORTE:La elección de fluidos de corte, debe tener en cuenta:Material de la pieza de trabajo y máquina-herramienta. Consideraciones biológicas. El medio ambiente (contaminación). MECANIZADO CASI SECO Y EN SECOMejora la calidad del aire en las plantas de fabricación. Reduce riesgos para la salud. Reducción del costo de las operaciones de mecanizado. Mejoría adicional de la calidad superficial.

VIDA ÚTIL DE LA HERRAMIENTA: DESGASTE Y FALLA: Las herramientas de corte se someten a: Elevados esfuerzos localizados en la punta de la herramienta. Altas temperaturas. Deslizamiento de viruta en la cara de ataque. Deslizamiento de la herramienta a lo largo de la superficie mecanizada. Desgaste gradual del filo. La rapidez del desgaste depende de:Pieza de trabajo.Geometría de la herramienta. Parámetros del proceso. Características de la máquina herramienta. Vida útil de la herramienta: Disminuye rápidamente al aumentar la velocidad de corte. Influenciada por las condiciones de trabajo. Depende del tipo del material (microestructura) de la pieza de trabajo. Las herramientas de corte requieren remplazo: El acabado superficial de la pieza de trabajo empieza a deteriorarse. Las fuerzas de corte aumentan de manera significativa. La temperatura se eleva en forma importante. CRATERIZACIÓN. Se sitúa en la cara de ataque. Se atribuye a:Temperatura en la interface hta-viruta. Afinidad química entre la herramienta y pieza de trabajo.Los factores del desgaste de filo también influyen en la craterización.El recubrimiento de herramientas es efectivo para disminuir la craterización.Profundidad máxima de craterizacion (KT) se da en la zona de temperatura máxima de la interfaz herramienta-viruta.
Desgaste de la punta: Redondeo de la punta de la herramienta. Afecta a la formación de viruta.„Ï Provoca rozamiento de la herramienta sobre la pieza de trabajo elevando temperatura y provocando esfuerzos residuales. Muesca o ranura:Límite en el que la viruta no se encuentra en contacto con la hta. Capa endurecida que puede provocar astillado grave. Astillado:„ÏSe rompe un pequeño fragmento del filo de la herramienta. No es un proceso gradual. Las principales causas son:Impacto mecánico,Fatiga térmica.

SUPERVISIÓN DE LAS CONDICIONES DE LA HERRAMIENTA: Método directo: Mediciones ópticas (microscopio):Requieren paradas intermitentes para inspección. Contacto de herramienta con un sensor después de cada ciclo de mecanizado. Método indirecto:Información del procesos de corte mediante sensores (señales online). Emisión Acústica, Fuerzas, Aceleración, etc. Las señales recogidas se procesan, analizan e interpretan. Mediante sistemas on-line se puede estimar el desgaste en tiempo real.