647

Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

22.1 Introduccin 64722.2 Aceros de alta veloci-

dad 65222.3 Aleaciones de cobalto

fundido 65322.4 Carburos 65322.5 Herramientas recubier-

tas 65622.6 Cermicos con base de

almina 66122.7 Nitruro de boro cbico

66222.8 Cermicos con base de

nitruro de silicio 66322.9 Diamante 66322.10 Materiales para herra-

mientas reforzados contriquitas 664

22.11 Costos y reacondicio-namiento de las herra-mientas 664

22.12 Fluidos de corte 665

EJEMPLOS:

22.1 El papel que juegan loselementos de aleacinen las herramientas decorte de aceros de altavelocidad 652

22.2 Efectos de los fluidosde corte en el maqui-nado 666

Para seguir con la cobertura de los fundamentos de corte en el captulo precedente,ahora describimos dos elementos esenciales en el maquinado (mecanizado): los mate-riales para las herramientas y los fluidos de corte. En especfico:

Tipos y caractersticas de los materiales para herramientas de corte.

Propiedades y aplicaciones de los aceros de alta velocidad, los carburos, los cermi-cos, el nitruro de boro cbico y el diamante.

Recubrimientos en herramientas, su composicin y cmo funcionan.

Tipos de fluidos de corte y sus aplicaciones.

Tendencias en el maquinado casi seco y en seco.

22.1 Introduccin

La seleccin de los materiales que se utilizarn en las herramientas de corte para unaaplicacin en particular es uno de los factores ms importantes en las operaciones de ma-quinado, como lo es la seleccin del material para moldes y matrices (dados) en los pro-cesos de formado y moldeado. A lo largo de este captulo discutiremos las propiedadesbsicas y las caractersticas de desempeo de los tipos ms importantes de materiales pa-ra herramientas de corte, lo que nos ayudar en su seleccin. Sin embargo, como ser ob-vio, la compleja naturaleza de este tema no siempre sirve al determinar los materialesapropiados para las herramientas, de ah que tambin debamos confiar en guas y reco-mendaciones que se han acumulado en la industria durante muchos aos. Comenzare-mos con el captulo 23, donde se presentar informacin sobre recomendaciones demateriales para herramientas, materiales de piezas de trabajo y operaciones especficasde maquinado.

Como se indic en el captulo precedente, la herramienta de corte se somete a (a)temperaturas elevadas; (b) esfuerzos de contacto elevados; (c) rozamiento a lo largo de lainterfaz herramienta-viruta y a lo largo de la superficie maquinada. En consecuencia, elmaterial de la herramienta de corte debe poseer las siguientes caractersticas:

Dureza en caliente: para que se mantengan la dureza, resistencia y resistencia aldesgaste de la herramienta a las temperaturas habituales en las operaciones de ma-quinado. Esto asegura que la herramienta no sufra alguna deformacin plstica y,por ende, retenga su forma y filo. En la figura 22.1 se muestra la dureza del materialpara herramientas en funcin de la temperatura. Obsrvese la amplia respuesta de

22C A P T U L O

22

648 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

0 55

60

65

70

75

80

85

90

95 100 300 500 700

200 400 600 800 1000 1200 1400

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Dur

eza

(HRA

)

H

RC

Temperatura (8F)

8C

Cermicos

CarburosAceros de alta velocidad

Aceros al

carbono para

herram

ientas

Aleacionesfundidas

FIGURA 22.1 Dureza de diversos materiales para herramien-tas de corte en funcin de la temperatura (dureza en caliente). Elamplio intervalo en cada grupo de materiales se debe a la varie-dad de composiciones de las herramientas y a los tratamientosdisponibles para cada grupo.

estos materiales y (sin ser sorpresivo) lo bien que los cermicos mantienen su dure-za a temperaturas elevadas. Las herramientas de aceros al carbono se utilizaron co-mo materiales para herramientas hasta el desarrollo de los aceros de alta velocidada principios del siglo XX. Los aceros al carbono para herramientas comienzan aperder su dureza con rapidez, incluso a temperaturas moderadas, lo que significaque no se pueden emplear en maquinado a altas velocidades (y de ah a altas tem-peraturas). En consecuencia, la capacidad de produccin sera baja y los costos ele-vados.

Tenacidad y resistencia al impacto (impacto mecnico): para que las fuerzas de im-pacto sobre la herramienta, que se repiten en operaciones de corte interrumpido(como el fresado, torneado de una flecha estriada en un torno, o debido a la vibra-cin y el traqueteo durante el maquinado), no astillen o fracturen la herramienta.

Resistencia al impacto trmico: para soportar los ciclos rpidos de temperatura en-contrados en el corte interrumpido.

Resistencia al desgaste: para obtener una vida til aceptable de la herramienta an-tes de reemplazarla.

Estabilidad qumica y neutralidad: con respecto al material a maquinar, para evitaro minimizar cualquier reaccin adversa, adhesin y difusin en la herramienta-vi-ruta que pudiera contribuir al desgaste de la herramienta.

Para responder a estos demandantes requerimientos, a lo largo de los aos se han de-sarrollado diversos materiales para herramientas de corte con una amplia variedad de pro-piedades mecnicas, fsicas y qumicas, como se muestra en la tabla 22.1. Las propiedades

649

TABLA 22.1

Propiedades generales de los materiales para herramientas

Propiedad Aceros de alta Aleaciones de Carburos Cermicos Nitruro de boro Diamante mono-velocidad cobalto fundido

WC TiCcbico cristalino

Dureza 8386 HRA 8284 HRA 9095 HRA 9193 HRA 9195 HRA 40005000 HK 70008000 HK4662 HRC 18002400 HK 18003200 HK 20003000 HK

Resistencia a la compresin,MPa 41004500 15002300 41005850 31003850 27504500 6900 6900

600650 220335 600850 450560 400650 1000 1000Resistencia a la ruptura

transversal,MPa 24004800 13802050 10502600 13801900 345950 700 1350

350700 200300 150375 200275 50135 105 200Resistencia al impacto,

J 1.358 0.341.25 0.341.35 0.791.24pulg.-lb 1270 311 312 711

Mdulo de elasticidad,GPa 200 520690 310450 310410 850 8201050

30 75100 4565 4560 125 120150Densidad,

8600 80008700 10,00015,000 55005800 40004500 3500 35000.31 0.290.31 0.360.54 0.20.22 0.140.16 0.13 0.13

Volumen de fase dura, % 715 1020 7090 100 95 95Temperatura de fusin o

de descomposicin,C 1300 1400 1400 2000 1300 700F 2370 2550 2550 3600 2400 1300

Conductividad trmica, W/m K 3050 42125 17 29 13 5002000

Coeficiente de expansin 12 46.5 7.59 68.5 4.8 1.54.8trmica,

En general, los valores para el diamante policristalino son ms bajos, excepto por la resistencia al impacto, que es mayor.*

* 10-6>C

lb>pulg3kg>m3

psi * 106

62656160.260.560.1

psi * 103

psi * 103

*

650 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

indicadas en la primera columna son tiles al determinar las caractersticas deseables de losmateriales para herramientas para una aplicacin en particular. As, por ejemplo:

La dureza y la resistencia son importantes en relacin con la dureza y resistenciadel material de la pieza de trabajo a maquinar.

La resistencia al impacto es importante para producir cortes interrumpidos en elmaquinado, como en el caso del fresado.

La temperatura de fusin del material para herramientas es importante contra lastemperaturas desarrolladas en la zona de corte.

Las propiedades fsicas de conductividad trmica y coeficiente de dilatacin trmi-ca son importantes para determinar la resistencia a la fatiga trmica y al impactotrmico de los materiales para herramientas.

Sin embargo, debe reconocerse que las propiedades deseables en las herramientaspara una operacin de maquinado particular pueden parecer contradictorias respecto delas propiedades de la herramienta de corte. Esta situacin se puede ver con claridad en latabla 22.2, observando las direcciones opuestas de las flechas horizontales largas. Comoejemplos: (a) los aceros de alta velocidad son tenaces, pero tienen una dureza en calientelimitada, y (b) los materiales cermicos tienen alta resistencia a la temperatura y al des-gaste, pero son frgiles y pueden astillarse. Obsrvese tambin que el costo de las herra-mientas aumenta conforme nos movemos hacia la derecha en la tabla 22.2: de aceros dealta velocidad (HSS, por sus siglas en ingls) a diamante (que es el ms costoso).

En la tabla 22.3 se muestran las caractersticas de operacin de los materiales paraherramientas en el maquinado. En general, dichos materiales se dividen en las siguientescategoras, indicadas segn el orden en que se desarrollaron e implantaron en la indus-

TABLA 22.2

Caractersticas generales de los materiales para herramientas de corte (estos materiales para

herramientas tienen una amplia variedad de composiciones y propiedades. En muchas categoras

de materiales para herramientas existen traslapes)

Aceros de Aleaciones Carburos Carburos Cermicos Nitruro de Diamantealta de cobalto no recubiertos boro cbico

velocidad fundido recubiertos policristalino

Dureza en calienteTenacidadResistencia al impactoResistencia al desgasteResistencia al astilladoVelocidad de corteResistencia al impacto

trmicoCosto del material de

la herrramientaProfundidad de corte De ligera De ligera De ligera De ligera De ligera De ligera Muy ligera para

a a a a a a el diamanteprofunda profunda profunda profunda profunda profunda monocristalino

Mtodo de Forjado, Fundido y Prensado CVD o Prensado Sinterizado Sinterizadoprocesamiento fundido, sinterizado en fro PVD en fro y de alta de alta

sinterizado HIP y sinterizado sinterizado presin y presin yHIP* o sinteri- y alta alta

zado HIP temperatura temperatura

Fuente: R. KomanduriPrensado isosttico en caliente.Deposicin qumica de vapor, deposicin fsica de vapor.

*

22.1 Introduccin 651

TABLA 22.3

Caractersticas generales de operacin de los materiales para herramientas de corte

Materiales para Caractersticas Modos de desgaste o Limitacionesherramientas generales falla de las herramientas

Aceros de alta velocidad Alta tenacidad, resistencia a la Desgaste del flanco, Baja resistencia en caliente, capacidadfractura, amplio intervalo de craterizacin. limitada de endurecimiento ycortes de desbaste y acabado, limitada resistencia al desgaste. buenos para cortes interrumpidos.

Carburos no recubiertos Alta dureza para un amplio Desgaste del flanco, No se puede usar a bajas veloci-intervalo de temperaturas, te- craterizacin. dades debido al soldado en fronacidad, resistencia al desgaste, de las virutas y el microastillado.variedad de aplicaciones am-plia y verstil.

Carburos recubiertos Mejor resistencia al desgaste Desgaste del flanco, No se puede usar a bajas velocidadesque los carburos no recubier- craterizacin. debido al soldado en fro de lastos, mejores propiedades tr- virutas y el microastillado.micas y de friccin.

Cermicos Alta dureza a temperaturas Muescado de lnea de Baja resistencia mecnica y bajaelevadas, alta resistencia al profundidad de corte, resistencia a la fatiga desgaste abrasivo. microastillado, termomecnica.

fractura gruesa.Nitruro de boro Alta resistencia en caliente, Muescado de lnea de Baja resistencia y baja estabilidad

cbico tenacidad, resistencia del profundidad de corte, qumica a temperaturas altas.policristalino (cBN) filo de corte. astillado, oxidacin,

grafitizacin.Diamante Alta dureza y tenacidad, resis- Astillado, oxidacin, Baja resistencia y baja estabilidad

tencia al desgaste abrasivo. grafitizacin. qumica a temperaturas altas.

Fuente: R. Komanduri y otras fuentes.

tria. Obsrvese que muchos de estos materiales tambin se utilizan para matrices y mol-des en fundicin, formado y moldeado de materiales metlicos y no metlicos.

1. Aceros de alta velocidad.

2. Aleaciones de cobalto fundido.

3. Carburos.

4. Herramientas recubiertas.

5. Cermicos con base almina.

6. Nitruro de boro cbico.

7. Cermicos con base de nitruro de silicio.

8. Diamante.

9. Materiales reforzados con triquitas y nanomateriales.

Los aceros al carbono son los materiales para herramientas ms antiguos y se hanutilizado ampliamente en brocas, machuelos, brocas y rimas desde la dcada de 1880.Despus se desarrollaron aceros de baja y media aleacin para aplicaciones similares, pe-ro con una vida til ms larga de la herramienta. Aunque son econmicos y es fcil dar-les forma y afilarlos, estos aceros no tienen la suficiente dureza en caliente ni laresistencia al desgaste para cortar a altas velocidades, cuando la temperatura se eleva demanera significativa. Su uso se limita a operaciones de baja velocidad de corte, de ahque no tengan una importancia particular en la manufactura moderna.

En este captulo se describe lo siguiente:

Las caractersticas, aplicaciones y limitaciones de estos materiales para herramien-tas en las operaciones de maquinado, incluyendo las caractersticas requeridas quehemos sealado y los costos correspondientes.

652 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

El intervalo aplicable de las variables de proceso para un desempeo ptimo.

Los tipos y caractersticas de los fluidos de corte y sus aplicaciones especficas enuna amplia variedad de operaciones de maquinado.

22.2 Aceros de alta velocidad

Las herramientas de acero de alta velocidad (HSS) se llaman as porque se desarrollaronpara maquinar a mayores velocidades de las que era posible hacerlo antes. Producidos porprimera vez a principios del siglo XX, los aceros de alta velocidad son los que tienen ma-yor aleacin de todos los aceros para herramientas. Se pueden endurecer a diferentes pro-fundidades, poseen buena resistencia al desgaste y son relativamente econmicos. Debidoa su tenacidad (de ah su alta resistencia a la fractura), los aceros de alta velocidad son ade-cuados para: (a) herramientas de ngulos grandes y positivos de ataque (es decir, aquellascon pequeos ngulos comprendidos); (b) cortes interrumpidos, (c) mquinas herramien-ta con baja rigidez, sujetas a vibracin y traqueteo, y (d) herramientas complejas y de unasola pieza, como brocas, rimas, machuelos y cortadores de engranes. Su limitacin ms im-portante (por su baja resistencia en caliente) es que las velocidades de corte son bajas, enrelacin con las de las herramientas de carburo, como se puede ver en la figura 22.1.

Existen dos tipos bsicos de aceros de alta velocidad: al molibdeno (serie M) y altungsteno (serie T). La serie M contiene hasta 10% de Mo, con Cr, V, W y Co como ele-mentos de aleacin. La serie T contiene de 12% a 18% de W, con Cr, V y Co como elemen-tos de aleacin. Los carburos formados en el acero constituyen de 10% a 20% en volumen.En general, la serie M tiene mayor resistencia a la abrasin que la serie T, sufre menosdistorsin durante el tratamiento trmico y es menos costosa. En consecuencia, 95% detodos los aceros de alta velocidad para herramientas se producen con la serie M. La ta-bla 5.6 incluye tres de estos aceros y sus caractersticas.

Existen aceros de alta velocidad para herramientas ya conformadas (laminados oforjados), fundidas y para metalurgia de polvos (sinterizacin). Se pueden recubrir paramejorar su desempeo, como se indica en la seccin 22.5. Los aceros de alta velocidadpara herramientas tambin se pueden someter a tratamientos superficiales (como endu-recimiento superficial para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste, ver seccin4.10) o a tratamiento con vapor a temperaturas elevadas para desarrollar una capa durade xido negro (azulado) a fin de mejorar el desempeo, incluyendo una tendencia redu-cida a la formacin de borde acumulado.

EJEMPLO 22.1 El papel que juegan los elementos de aleacin en las herramientasde corte de acero de alta velocidad

Liste los principales elementos de aleacin en los aceros de alta velocidad y describasus efectos en las herramientas de corte.

Solucin Los principales elementos de aleacin en los HSS son el cromo, vanadio,tungsteno, cobalto y molibdeno.Para apreciar su funcin en las herramientas de corte, consulte la seccin 5.5.1 sobrelos efectos de los diversos elementos en los aceros y observe lo siguiente:

Cromo: mejora la tenacidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a tempera-turas elevadas.

Vanadio: mejora la tenacidad, la resistencia a la abrasin y la dureza en caliente.El tungsteno y el cobalto tienen efectos similares: mejoran la resistencia y la du-

reza en caliente.Molibdeno: mejora la resistencia al desgaste, la tenacidad y la resistencia y du-

reza a la temperatura elevada.

22.4 Carburos 653

22.3 Aleaciones de cobalto fundidoPresentadas en 1915, las aleaciones de cobalto fundido tienen los siguientes intervalos decomposicin: de 38% a 53% de Co, de 30% a 33% de Cr y de 10% a 20% de W. Debi-do a su elevada dureza (comnmente entre 58 y 64 HRC), tienen buena resistencia al des-gaste y pueden mantener su dureza a temperaturas elevadas. No son tan tenaces como losaceros de alta velocidad y son sensibles a las fuerzas de impacto. En consecuencia, sonmenos adecuadas que los aceros de alta velocidad para las operaciones de corte interrum-pido. Conocidas comnmente como herramientas de estelita, estas aleaciones se funden yse rectifican para darles formas relativamente sencillas. En la actualidad slo se utilizan enaplicaciones especiales que implican cortes de desbaste, profundos y continuos, con avan-ces y velocidades relativamente elevadas, hasta del doble de las capacidades posibles conlos aceros de alta velocidad. Como se indica en la seccin 23.2, por lo general los cortesde desbaste comprenden grandes proporciones de avance y grandes profundidades de cor-te, con el propsito fundamental de retirar grandes cantidades de material, con poco cui-dado por el acabado superficial. Por el contrario, los cortes de acabado se realizan conmenores avances y profundidades de corte, y el acabado superficial es prioritario.

22.4 CarburosLos dos grupos de materiales para herramientas descritos hasta este punto poseen la te-nacidad y resistencia al impacto requeridos, pero tambin tienen limitaciones importan-tes, en particular respecto de la resistencia y la dureza en caliente. En consecuencia, nopueden utilizarse efectivamente donde existen altas velocidades de corte (y de ah, altastemperaturas). Sin embargo, esta condicin es necesaria a menudo para mejorar la pro-ductividad de la planta.

Para cumplir el reto de las velocidades de corte cada vez mayores se presentaronlos carburos (tambin conocidos como carburos cementados o sinterizados) por primeravez en la dcada de 1930. Debido a su elevada dureza en un amplio intervalo de tempe-raturas (fig. 22.1), su alto mdulo elstico, alta conductividad trmica y baja dilatacintrmica, los carburos se encuentran entre los materiales para herramientas y matrices(dados) ms importantes, verstiles y de costo efectivo para una amplia gama de aplica-ciones. Los dos grupos ms importantes de carburos utilizados en maquinado son el car-buro de tungsteno y el carburo de titanio. Para diferenciarlos de las herramientasrecubiertas que se describen en la seccin 22.6, a las herramientas simples de carburo seles conoce comnmente como carburos no recubiertos.

22.4.1 Carburo de tungstenoPor lo comn, el carburo de tungsteno (WC) consiste en partculas de carburo de tungstenoaglutinadas en una matriz de cobalto. Estas herramientas se manufacturan mediante tcni-cas de metalurgia de polvos (de ah el trmino carburos sinterizados o carburos cementa-dos), como se seala en el ejemplo 17.4. Primero, las partculas de carburo de tungsteno secombinan con cobalto en una mezcladora, produciendo un material compsito con unamatriz de cobalto que circunda a las partculas de carburo. Despus, estas partculas, quetienen un tamao de 1 a 5 mm (40 a 200 mpulg) se prensan y sinterizan para darles las formasde inserto deseadas. Con frecuencia, los carburos de tungsteno se integran con carburo detitanio y carburo de niobio para proporcionar propiedades especiales al material.

La cantidad de cobalto presente, que por lo comn va de 6% a 16%, afecta de ma-nera significativa las propiedades de las herramientas de carburo de tungsteno. Al au-mentar el contenido de cobalto disminuyen la resistencia, dureza y resistencia al desgastedel WC, mientras que aumenta su tenacidad debido a la mayor tenacidad del cobalto.Por lo general, las herramientas de carburo de tungsteno se utilizan para cortar aceros,hierros fundidos y materiales no ferrosos abrasivos y han reemplazado ampliamente alas herramientas de HSS debido a su mejor desempeo.

654 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

Carburos micrograno. Las herramientas de corte tambin se producen con carburosde granos de tamaos submicroscpicos y ultrafinos (micrograno). El tamao del granose encuentra en el intervalo de 0.2 a 0.8 mm (8 a 30 mpulg). Si se comparan con los carbu-ros tradicionales descritos antes, estos materiales para herramientas son ms fuertes, durosy resistentes al desgaste, mejorando de esta manera la productividad. En una aplicacin,con estos materiales se estn produciendo microbrocas con dimetros del orden de 100 mm(0.004 pulgada), que se utilizan en la fabricacin de tarjetas de circuitos microelectrni-cos (captulo 28).

Carburos con gradientes funcionales. En estas herramientas, la composicin delcarburo en el inserto tiene un gradiente a travs de la profundidad cercana a su superfi-cie, en lugar de ser uniformes, como los insertos comunes de carburo. El gradiente tieneuna distribucin gradual de composiciones y fases con funciones similares a las descritascomo propiedades deseables de los recubrimientos para herramientas de corte. Las pro-piedades mecnicas graduadas eliminan las concentraciones de esfuerzos y promueven lavida til y el desempeo de las herramientas. Sin embargo, son ms costosas y no se pue-den justificar en todas las aplicaciones.

22.4.2 Carburo de titanioEl carburo de titanio (TiC) consiste en una matriz de nquel-molibdeno. Tiene una resis-tencia al desgaste mayor que la del carburo de tungsteno, pero no es tan tenaz. El carbu-ro de titanio es adecuado para maquinar materiales duros (principalmente aceros ehierros fundidos) y para cortar a velocidades superiores a las apropiadas para el carburode tungsteno.

22.4.3 InsertosA las herramientas de acero de alta velocidad se les da forma en una sola pieza y se recti-fican para proporcionarles diversas caractersticas geomtricas (fig. 21.10a); dichas herra-mientas incluyen insertos, brocas y cortadores para fresado y para engranes. Una vez quese desgasta el filo de corte, la herramienta tiene que retirarse de su soporte y reafilarse.

Aunque por lo general existe un suministro de herramientas afiladas o reafiladas enlos talleres de herramientas, las operaciones de cambio de herramientas son laboriosas eineficientes. La necesidad de un mtodo ms efectivo ha llevado al desarrollo de insertos,que son herramientas individuales de corte con varios puntos de corte (fig. 22.2). Un in-serto cuadrado tiene ocho puntos de corte y un inserto triangular tiene seis. En general,los insertos se sujetan sobre el portaherramientas con diversos mecanismos de sujecin(fig. 22.3). Aunque no se utilizan con tanta frecuencia de esta manera, los insertos tam-bin se pueden soldar al zanco de la herramienta, pero esta prctica se abandon desdehace mucho tiempo.

FIGURA 22.2 Insertos tpicos de carburo con diver-sas formas y rompevirutas; tambin existen insertos re-dondos, como puede verse en las figuras 22.3c y 22.4.Los orificios en los insertos se han estandarizado parahacerlos intercambiables en los portaherramientas.Fuente: Cortesa de Kyocera Engineered Ceramics, Inc.

22.4 Carburos 655

El mtodo preferido para asegurar un inserto es la sujecin, ya que cada uno tienevarios puntos de corte y despus de que se ha gastado un filo, el inserto se indexa (se gi-ra en su soporte) para disponer de otro punto de corte. Adems de los ejemplos de estafigura, existe una amplia variedad de otros portaherramientas para aplicaciones especfi-cas, incluyendo los de insercin y remocin rpida.

Existen varias formas de insertos o pastillas de carburo, tales como cuadrado,tringulo, diamante y redonda. La resistencia del filo de corte de un inserto depende desu forma. Cuanto menor sea el ngulo comprendido o incluido (fig. 22.4), menor ser laresistencia del filo. Para mejorar la resistencia del filo y evitar el astillado, por lo generaltodos los filos de los insertos se honean o asentan, achaflanan, o se producen con un des-canso negativo (fig. 22.5). La mayora de los insertos se honean a un radio de casi 0.025mm (0.001 pulgada).

(c) (b)

Zanco

Asiento

Tornillo desujecin

Inserto

(a)

Inserto

Abrazadera

Tornillode sujecin

Asientoo calza

Portaherramientas

FIGURA 22.3 Mtodos de montaje de insertos en portaherramientas: (a) Con abrazaderas, y (b) con tornillos de sujecin.(c) Ejemplos de insertos montados con tornillos de sujecin sin rosca, que se aseguran con tornillos laterales. Fuente: Cortesade Valenite.

908 1008 808 608

558 358

Aumento de la resistencia

Aumento en la viruta y en la facilidad de romperse

FIGURA 22.4 Resistencia relativa de los filos y tendencia al astillado de los insertos de di-versas formas. La resistencia se refiere al filo de corte indicado por los ngulos comprendidos.Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.

Neg

ativo

co

n d

esca

nso

y ho

nead

o (as

entad

o)

Neg

ativo

co

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nead

o

Neg

ativo

afila

do

Posi

tivo

con h

onea

do

Posi

tivo

afila

do

Resistencia creciente del filo

FIGURA 22.5 Preparacin del filo en los insertos para mejorarsu resistencia. Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.

656 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

Los rompevirutas (descritos en la seccin 21.2.1) en los insertos tienen los propsi-tos de (a) controlar el flujo de la viruta durante el maquinado; (b) eliminar las virutas lar-gas, y (c) reducir la vibracin y el calor generado. Existen insertos comerciales de carburocon una amplia variedad de complejos rompevirutas, ejemplos de los cuales se muestranen la figura 22.2. La seleccin de un rompevirutas en particular depende de elementos co-mo el avance y la profundidad de corte de la operacin, el material de la pieza de trabajo,el tipo de viruta producida durante el corte y si se trata de un corte de desbaste o de aca-bado. Con el uso del diseo asistido por computadora y tcnicas de anlisis de elementosfinitos se siguen desarrollando geometras ptimas para los rompevirutas.

La rigidez de la mquina herramienta (seccin 25.3) es muy importante cuando seutilizan herramientas de carburo. Los avances cortos, las velocidades bajas y el traqueteoson dainos porque tienden a daar el filo de corte de la herramienta. Los avances cor-tos, por ejemplo, concentran las fuerzas y temperaturas ms cerca de los filos de la herra-mienta, aumentando su tendencia al astillado.

Las bajas velocidades de corte tienden a promover el soldado en fro de la astilla ala herramienta. Los fluidos de corte tambin deben aplicarse de manera continua y engrandes cantidades si se utilizan para minimizar el calentamiento y enfriar la herramien-ta en las operaciones de corte interrumpido.

22.4.4 Clasificacin de los carburosCon la manufactura global que cada vez crece ms rpidamente y el mayor uso de las nor-mas ISO (Organizacin Internacional para la Estandarizacin), los grados de carburo seclasifican mediante las letras P, M y K (como se muestra en las tablas 22.4 y 22.5) paranumerosas aplicaciones, incluyendo los grados tradicionales C que se utilizan en EstadosUnidos. Debido a la amplia variedad disponible de composiciones de los carburos, deaplicaciones de maquinado y de materiales de piezas de trabajo que comprenden, los es-fuerzos de la clasificacin ISO continan siendo una tarea muy difcil. Esto es cierto enparticular cuando se comparan los grados ISO con los grados tradicionales clasificadospor el American National Standards Institute (ANSI), que van de los grados C1 a C8.

22.5 Herramientas recubiertas

Como se indic en la parte I, el desarrollo de nuevas aleaciones y materiales de ingenie-ra es continuo desde la dcada de 1960. Estos materiales tienen una alta resistencia y te-nacidad, aunque por lo general son abrasivos y qumicamente reactivos con losmateriales de las herramientas. La dificultad de maquinar estos materiales de manera efi-

TABLA 22.4

Clasificacin ISO de las herramientas de corte de carburos de acuerdo con su uso

Smbolo Material de Cdigo Designacin en orden crecientela pieza de color de la resistencia al desgaste y

de trabajo en orden decreciente detenacidad en cada categora

(en incrementos de 5)

P Metales ferrosos con virutas largas. Azul P01, P05P50M Metales ferrosos con virutas largas Amarillo M10M40

o cortas, metales no ferrosos.K Metales ferrosos con virutas cortas, Rojo K01, K10K40

metales no ferrosos, materialesno metlicos.

22.5 Herramientas recubiertas 657

TABLA 22.5

Clasificacin de los carburos de tungsteno de acuerdo con sus aplicaciones de maquinado

Norma Nmero de Materiales Operacin Tipo de Caractersticas de:

ISOclasificacin a ser de carburo

Corte CarburoANSI maquinados maquinado(grado)

K30K40 C1 Cast iron, Desbaste Wear-resistant Incremento de Incrementononferrous grades; velocidad de corte dureza y resistencia

K20 C2metals, and Propsito generally al desgastenonmetallic general straight

K10 C3materials Acabado WC-Co requiring ligero with varyig Incremento de resis-

K01 C4abrasion Acabado grain sizes Incremento de tencia y contenidoresistance de precisin avance de aglutinante

P30P50 C5 Desbaste Crater-resistant Incremento de Incremento deSteels and Propsito grades; various velocidad de corte dureza y

P20 C6 steel alloys general WC-Co resistencia al desgasterequiring Acabado compositions

P10 C7 crater and ligero with TiC deformation Acabado and/or TaC Incremento de Incremento de resis-

P01 C8 resistance de precisin alloys avance tencia y contenido de aglutinante

Nota: Las comparaciones ISO y ANSI son aproximadas.

ciente y la necesidad de mejorar el desempeo en el maquinado de los materiales de inge-niera ms comunes ha llevado a importantes desarrollos en herramientas recubiertas.Los recubrimientos tienen propiedades nicas, como:

Menor friccin.

Mayor adhesin.

Mayor resistencia al desgaste y al agrietamiento.

Actan como una barrera para la difusin.

Mayor dureza en caliente y resistencia al impacto.

Las herramientas recubiertas pueden tener una vida til 10 veces ms larga que lade las herramientas no recubiertas, permitiendo mayores velocidades de corte y redu-ciendo as tanto el tiempo requerido para las operaciones de maquinado como los costosde produccin. Como se puede ver en la figura 22.6, el tiempo de maquinado se ha redu-cido de manera consistente en un factor de ms de 100 desde 1900. Esta mejora ha teni-do un impacto importante en la economa de las operaciones de maquinado, junto condesarrollos continuos en el diseo y la construccin de mquinas herramienta modernasy sus controles computarizados. El resultado es que ahora entre 40% y 80% de todas lasoperaciones de maquinado utilizan herramientas recubiertas, en particular en el tornea-do, fresado y taladrado. Algunas investigaciones indican que el uso de dichas herramien-tas tiene mayor preponderancia en las grandes compaas que en las pequeas.

22.5.1 Materiales y mtodos de recubrimientoLos materiales que suelen utilizarse para recubrimiento son el nitruro de titanio (TiN), elcarburo de titanio (TiC), el carbonitruro de titanio (TiCN) y el xido de aluminio (Al2O3),cuyo espesor vara por lo general de 2 a 15 mm (80 a 600 mpulg); se aplican sobre las herra-mientas y los insertos mediante dos tcnicas, descritas con mayor detalle en la seccin 34.6.

1. Deposicin qumica de vapor (CVD, por sus siglas en ingls), incluyendo la depo-sicin qumica de vapor asistida por plasma.

2. Deposicin fsica de vapor (PVD, por sus siglas en ingls).

Hierro fundi-do, metales noferrosos y ma-teriales no me-

tlicos querequieren resis-

tencia a laabrasin

Grados resisten-tes al desgaste;en general slo

WC-Co con tamaos

variables de granos

Aceros y aceros aleadosque requierenresistencia a la craterizacin

y a la deformacin

Grados resistentesal desgaste;

diversas composiciones deWC-Co con TiCy/o aleaciones de

TaC

658 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

El proceso CVD es el mtodo ms utilizado para las herramientas de carburo conrecubrimientos de fases mltiples y cermicos; ambos se describen despus en esta sec-cin. Por otro lado, los carburos recubiertos mediante PVD con recubrimientos de TiNtienen ms resistencia en el filo de corte, menos friccin y menor tendencia a formar unborde acumulado o recrecido; son ms lisos y su espesor es ms uniforme, por lo generalde 2 a 4 mm (80 a 160 mpulg). Otra tecnologa (que se emplea en particular para los re-cubrimientos de fases mltiples) es la deposicin qumica de vapor de temperatura media(MTCVD, por sus siglas en ingls), desarrollada para maquinar hierro dctil (nodular) yaceros inoxidables y para proporcionar una resistencia mayor a la propagacin de lasgrietas que la de los recubrimientos CVD.

Los recubrimientos para herramientas de corte y matrices (dados) deben tener lassiguientes caractersticas generales:

Alta dureza a elevadas temperaturas, para resistir el desgaste.

Estabilidad qumica y neutralidad con respecto al material de la pieza de trabajo,para reducir el desgaste.

Baja conductividad trmica, para evitar la elevacin de la temperatura en el sustrato.

Compatibilidad y buena unin o adherencia con el sustrato, para evitar la desca-macin o astillado.

Poca o nada de porosidad en el recubrimiento, para mantener su integridad y resis-tencia.

La efectividad de los recubrimientos se ve realzada por la dureza, tenacidad y altaconductividad trmica del sustrato (que puede ser carburo o acero de alta velocidad). El ho-neado de los filos de corte es un procedimiento importante para mantener la resistencia delrecubrimiento; en caso contrario, ste se puede descascarar o astillar en los filos y esquinas.

Recubrimientos de nitruro de titanio. Los recubrimientos de nitruro de titanio tie-nen bajos coeficientes de friccin, dureza elevada, resistencia a temperaturas altas y buenaadhesin al sustrato. En consecuencia, mejoran mucho la vida til de las herramientas tan-to de acero de alta velocidad como de carburo, los insertos para brocas y los cortadores. El

Acero al carbono

Acero de alta velocidad

Aleaciones con base de cobalto fundido

Carburos cementados

Grados mejorados de carburos

Grados de las primeras herramientas recubiertas Grados de los primeros dobles recubrimientos

Grados de los primeros triples recubrimientos

1900 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

26

15

6

3

1.51

0.7

Tiem

po d

e m

aqui

nado

(min)

Ao00

0.5 Triple recubrimiento graduado por funcin

FIGURA 22.6 Tiempo relativo requerido para maquinar con diversos materialespara herramientas de corte, indicando el ao en que dichos materiales se introduje-ron por primera vez. Obsrvese que el tiempo de maquinado se ha reducido en dosrdenes de magnitud en 100 aos. Fuente: Cortesa de Sandvik.

22.5 Herramientas recubiertas 659

desempeo de las herramientas recubiertas con nitruro de titanio (de color dorado) es bue-no a mayores velocidades de corte y avances, en tanto que el desgaste del flanco es signifi-cativamente menor que el de las herramientas sin recubrimiento (fig. 22.7); las superficiesde los flancos se pueden rectificar otra vez despus del uso, ya que el nuevo rectificado dela herramienta no retira el recubrimiento de la cara de ataque de la herramienta. Sin em-bargo, las herramientas recubiertas no se comportan muy bien a bajas velocidades de cor-te porque el recubrimiento puede desgastarse debido a la adhesin de la viruta. Por lotanto, es importante usar fluidos apropiados de corte para evitar la adhesin.

Recubrimientos de carburo de titanio. Los recubrimientos de carburo de titaniosobre insertos de carburo de tungsteno tienen alta resistencia al desgaste del flanco almaquinar materiales abrasivos.

Recubrimientos cermicos. Debido a su neutralidad qumica, baja conductividadtrmica, resistencia a las temperaturas elevadas y resistencia al desgaste del crter y delflanco, los cermicos son adecuados para recubrir materiales para herramientas. El recu-brimiento cermico ms utilizado es el xido de aluminio (Al2O3). Sin embargo, ya queson muy estables (no reactivos qumicamente), por lo general, los recubrimientos de xi-dos se unen con debilidad al sustrato.

Recubrimientos de fases mltiples. Las propiedades deseables de los recubri-mientos, recin descritas, se pueden combinar y optimizar con el uso de recubrimientosde fases mltiples o multifsicos. Ahora existen herramientas de carburos con dos o trescapas de tales recubrimientos y son particularmente efectivas en el maquinado de hierrosfundidos y aceros.

Por ejemplo, primero se puede depositar TiC sobre el sustrato, seguido de Al2O3y despus TiN. La primera capa debe unirse bien al sustrato; la exterior tiene que resistirel desgaste y presentar una baja conductividad trmica; la intermedia debe unirse bien yser compatible con las otras dos.

Las aplicaciones tpicas de las herramientas con recubrimientos de capas mltiplesson las siguientes:

1. Corte de alta velocidad y continuo: TiC/Al2O3.

2. Corte de trabajo rudo y continuo: TiC/Al2O3/TiN.

3. Corte interrumpido ligero: TiC/TiC + TiN/TiN.

Tambin existen recubrimientos en capas mltiples alternas. El espesor de estas ca-pas es de 2 a 10 mm, menores que los recubrimientos regulares de fases mltiples (fig.22.8). Se usan recubrimientos delgados porque su dureza aumenta al disminuir el tamaode grano, un fenmeno similar al incremento de la resistencia de los metales cuando se re-duce el tamao de grano. Por lo tanto, las capas delgadas son ms duras que las gruesas.

Recubierta con TiN

Sin recubrir

Desgaste del flanco

Cara o superficie de ataque

Herramienta

FIGURA 22.7 Esquema de los patrones caractersticos de desgaste en herramientas de ace-ro de alta velocidad sin recubrir y con recubrimiento de nitruro de titanio. Obsrvese que eldesgaste del flanco es significativamente menor en la herramienta recubierta.

660 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

Una herramienta tpica recubierta con fases mltiples puede constar de las siguien-tes capas, empezando desde arriba, junto con sus funciones fundamentales:

1. TiN: baja friccin.

2. Al2O3: alta estabilidad trmica.

3. TiCN: reforzado con fibra, tiene un buen equilibrio de resistencia al desgaste delcrter y del flanco, en particular para corte interrumpido.

4. Sustrato delgado de carburo: alta tenacidad a la fractura.

5. Sustrato grueso de carburo: duro y resistente a la deformacin plstica a tempera-turas elevadas.

Recubrimientos de diamante. En las secciones 8.7 y 34.13 se indican las propieda-des y aplicaciones del diamante, los recubrimientos de diamante y el carbono similar al dia-mante, respectivamente, y en la seccin 22.9 se describe su uso como recubrimiento paraherramientas de corte, sobre todo en los insertos de carburo de tungsteno y nitruro de sili-cio. Las herramientas recubiertas con diamante son muy efectivas en el maquinado de me-tales no ferrosos y materiales abrasivos, como las aleaciones de aluminio que contienensilicio, materiales compsitos reforzados con fibras y con matriz metlica, y grafito. Su vi-da til ha mejorado hasta 10 veces ms respecto de otras herramientas recubiertas.

Existen insertos recubiertos con diamante comerciales, en los que, mediante las tc-nicas PVD y CVD, se depositan delgadas pelculas sobre sustratos. Las pelculas gruesasse obtienen haciendo crecer una hoja grande de diamante puro, que despus se corta conlser para darle forma y soldarla a un inserto de carburo. Tambin se han desarrollado re-cubrimientos de diamante nanocristalino en multicapas, con capas de unin de diamanteque dan resistencia al recubrimiento. Como en todos los recubrimientos, es importan-te desarrollar una buena adherencia de la pelcula de diamante al sustrato y minimizar ladiferencia de expansin trmica entre el diamante y los materiales del sustrato.

22.5.2 Diversos materiales de recubrimientoEn la mejora del desempeo de las herramientas recubiertas se han producido importan-tes avances. El carbonitruro de titanio (TiCN) y el nitruro de aluminio titanio (TiAlN)son efectivos para cortar aceros inoxidables. El TiCN (que se deposita mediante tcnicas

TiN

TiN

TiN

TiC, N

TiC, N Sustrato de carburo

Al2O3

Al2O3

Al2O3

FIGURA 22.8 Recubrimientos de etapas mltiples sobre un sustrato de carburo de tungsteno.Capas muy delgadas de nitruro de titanio separan tres capas alternadas de xido de aluminio. Sehan producido insertos hasta con 13 capas de recubrimiento. El espesor de los recubrimientos seencuentra por lo comn dentro del intervalo de 2 a 10 mm. Fuente: Cortesa de Kennametal, Inc.

22.6 Cermicos base almina 661

de deposicin fsica de vapor) es ms duro y tenaz que el TiN y se puede utilizar sobreherramientas de carburos y de acero de alta velocidad. El TiAlN es efectivo para maqui-nar aleaciones aeroespaciales. Los recubrimientos con base de cromo, como el carburode cromo (CrC), son efectivos para maquinar metales ms blandos que tienden a adhe-rirse a la herramienta de corte, como el aluminio, cobre y titanio. Otros nuevos materia-les son el nitruro de zirconio (ZrN) y el nitruro de hafnio (HfN). Se requierenconsiderables datos experimentales antes de que se puedan evaluar totalmente estos re-cubrimientos y su desempeo para aplicaciones apropiadas en el maquinado.

Los desarrollos ms recientes incluyen (a) recubrimientos nanocapa, entre ellos car-buro, boruro, nitruro, xido o alguna combinacin (ver tambin la seccin 6.16), y (b) re-cubrimientos de compsitos, que utilizan varios materiales. La dureza de algunos de estosrecubrimientos se aproxima a la del nitruro de boro cbico; aunque an se encuentran enetapas experimentales, se espera que tengan los beneficios combinados de diferentes tiposde recubrimientos, as como aplicaciones ms amplias en las operaciones de maquinado.

22.5.3 Implantacin de ionesEn este proceso se introducen iones dentro de la superficie de la herramienta de corte,mejorando sus propiedades superficiales (seccin 34.6) sin cambiar sus dimensiones. Sehan utilizado con xito herramientas de carburo con implantes de iones de nitrgeno enaceros aleados e inoxidables. La implantacin de herramientas con iones de xenn tam-bin se encuentra en desarrollo.

22.6 Cermicos base almina

Los materiales para herramientas fabricados de material cermico, que se presentaron enla dcada de 1950, consisten fundamentalmente en xido de aluminio de alta pureza degrano fino (ver tambin la seccin 8.2). Se prensan en fro para darles la forma del inser-to a alta presin y se sinterizan a elevada temperatura; al producto final se le conoce co-mo cermicos blancos (prensados en fro). La adicin de carburo de titanio y xido dezirconio mejora propiedades como la tenacidad y la resistencia al impacto trmico.

Las herramientas de material cermico con base de almina tienen una resistenciamuy elevada a la abrasin y alta dureza en caliente (fig. 22.9). Qumicamente, son ms es-tables que los aceros de alta velocidad y que los carburos, por lo que tienden menos a ad-herirse a los metales durante el corte y a formar bordes acumulados o recrecidos. En

Res

iste

ncia

en

calie

nte

yre

sist

enci

a al

des

gast

e

Resistencia y tenacidad

Diamante, nitruro de boro cbicoxido de aluminio (HIP)xido de aluminio 1 30% de carburo de titanioNitruro de silicio

CermetsCarburos recubiertos

Carburos

Aceros de altavelocidad

FIGURA 22.9 Intervalos de propiedades mecnicas para diversos grupos demateriales para herramientas. Ver tambin las tablas 22.1 a 22.5.

662 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

consecuencia, al cortar hierros fundidos y aceros se obtiene un buen acabado superficial conlas herramientas a base de cermicos. Sin embargo, stos no tienen tenacidad y su usopuede provocar la falla prematura de la herramienta por astillado o por falla catastrfica.

Existen insertos cermicos en formas similares a las de los insertos de carburo. Sonefectivos en alta velocidad y en operaciones de corte interrumpido, como el acabado osemiacabado mediante torneado. Para reducir el impacto trmico, el corte debe realizarseen seco o con una copiosa cantidad de fluido de corte, aplicado como una corriente esta-ble. Las aplicaciones inapropiadas o intermitentes del fluido pueden provocar un impactotrmico y la fractura de la herramienta a base de cermicos.

La forma de la herramienta a base de cermicos y su arreglo son importantes. Porlo general se prefieren ngulos negativos de ataque (ngulos comprendidos grandes) pa-ra evitar el astillado debido a la pobre resistencia a la tensin de los cermicos. La fallade la herramienta se puede reducir aumentando la rigidez y la capacidad de amortigua-miento de las mquinas herramienta, montajes y dispositivos de sujecin del trabajo, re-duciendo as la vibracin y el traqueteo.

Cermets. Los cermets (de las palabras cermico y metal) se utilizaron por primera vezen la dcada de 1950 y consisten en partculas de material cermico en una matriz met-lica. Se presentaron en la dcada siguiente y son materiales cermicos negros o prensadosen caliente (carbxidos). Un cermet tpico tiene 70% de xido de aluminio y 30% de car-buro de titanio; otros cermets contienen carburo de molibdeno, carburo de niobio y carbu-ro de tantalio. Aunque poseen estabilidad qumica y resistencia a la formacin de bordesacumulados, su fragilidad y alto costo han limitado su uso ms amplio. Refinamientosposteriores de estas herramientas han mejorado su resistencia, tenacidad y confiabilidad.Su desempeo se encuentra entre el de los cermicos y el de los carburos, y ha sido ade-cuado para cortes ligeros de desbaste y cortes de acabado de alta velocidad. Los rompe-virutas son importantes para los insertos de cermets. Aunque se pueden recubrir, losbeneficios de los cermets recubiertos son discutibles, ya que la mejora en la resistencia aldesgaste parece marginal.

22.7 Nitruro de boro cbico

Despus del diamante, el nitruro de boro cbico (cBN) es el material ms duro que exis-te. Presentado en 1962 con el nombre comercial de Borazn, se produce uniendo una ca-pa de 0.5 mm a 1 mm (0.02 a 0.04 pulgada) de nitruro de boro cbico policristalino a unsustrato de carburo mediante sinterizacin a alta presin y alta temperatura. En tantoque el carburo proporciona resistencia al impacto, la capa de cBN aporta una resistenciamuy elevada al desgaste y resistencia del filo de corte (fig. 22.10). Las herramientas denitruro de boro cbico tambin se producen en tamaos pequeos, sin sustrato.

Soldadura fuerte

Capa de nitrurode boro cbicopolicristalino o dediamante

Sustrato de carburo

Inserto de carburode tungsteno

FIGURA 22.10 Inserto de nitruro de boro cbico policristalino o de dia-mante sobre carburo de tungsteno.

22.9 Diamante 663

A temperaturas elevadas, el cBN es qumicamente inerte al hierro y al nquel (deah que no exista desgaste debido a la difusin). Su resistencia a la oxidacin es elevada,por lo que resulta adecuado para cortar ferrosos endurecidos y aleaciones de alta tempe-ratura (ver maquinado duro en la seccin 25.6). Tambin se utiliza como abrasivo. Co-mo las herramientas de cBN son frgiles, la rigidez de la mquina y de los soportes esimportante para impedir la vibracin y el traqueteo. Pueden evitarse adems el astilladoy el agrietamiento por los impactos trmicos si el maquinado se realiza en seco (esto es,deben evitarse los fluidos de corte), sobre todo en las operaciones de corte interrumpido(como el fresado), que somete la herramienta a ciclos trmicos de manera repetitiva.

22.8 Cermicos con base de nitruro de silicio

Desarrollados en la dcada de 1970, los materiales para herramientas de cermico conbase de nitruro de silicio (SiN) consisten en nitruro de silicio con diversas adiciones dexido de aluminio, xido de itrio y carburo de titanio. Estas herramientas tienen tenaci-dad, dureza en caliente y buena resistencia al impacto trmico. Un ejemplo de materialcon base de SiN es el sialn, cuyo nombre proviene de los elementos que lo conforman:silicio, aluminio, oxgeno y nitrgeno. Posee una resistencia al impacto trmico mayorque el nitruro de silicio y se recomienda para maquinar hierros fundidos y superaleacio-nes con base de nquel a velocidades intermedias de corte. Sin embargo, debido a su afi-nidad qumica con el hierro a temperaturas elevadas, las herramientas con base de SiNno son adecuadas para maquinar aceros.

22.9 Diamante

El diamante es la sustancia ms dura que se conoce (ver tambin la seccin 8.7); como he-rramienta de corte tiene propiedades deseables, entre ellas baja friccin, alta resistencia aldesgaste y la capacidad de mantener su filo de corte. El diamante se utiliza cuando se re-quiere un buen acabado superficial y precisin dimensional, en particular con las aleacio-nes no ferrosas blandas y con los materiales abrasivos metlicos y no metlicos (sobretodo algunas aleaciones de aluminio-silicio). En la actualidad se usan ampliamente dia-mantes sintticos o industriales, ya que el natural tiene defectos y su desempeo puede serimpredecible, como en el caso de los abrasivos empleados en ruedas de esmerilado.

Para aplicaciones especiales se pueden utilizar diamantes monocristalinos de variosquilates. Sin embargo, se han sustituido en gran medida por herramientas de diamantepolicristalino (PCD, por sus siglas en ingls), llamados compactos, que tambin se usancomo matrices para estirado de alambre fino. Estas herramientas de diamante consistenen cristales sintticos muy pequeos fundidos mediante un proceso de alta presin y alta

FIGURA 22.11 Insertos con puntas de nitruro de boro cbicopolicristalino (fila superior) e insertos de cBN slido policristalino(fila inferior). Fuente: Cortesa de Valenite.

664 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

temperatura, a un espesor de entre 0.5 mm y 1 mm (0.02 a 0.04 pulgada), aglutinados enun sustrato de carburo; este producto es similar a las herramientas cBN (fig. 22.11). Laorientacin aleatoria de los cristales de diamante evita la propagacin de grietas a lo lar-go de la estructura, mejorando su tenacidad de manera significativa.

El diamante es frgil, por lo que son importantes la forma y el afilado de la herra-mienta. En general se utilizan ngulos pequeos de ataque para proveer un filo de cortefuerte (debido a los ngulos mayores comprendidos). Se tiene que poner atencin particularen el montaje y la orientacin apropiada de los cristales, a fin de obtener una vida til pti-ma de la herramienta. El desgaste puede ocurrir por microastillado (a causa de los esfuerzostrmicos y la oxidacin) y la transformacin a carbono (provocada por el calor generadodurante el corte). Las herramientas de diamante se pueden emplear en forma satisfactoriacasi a cualquier velocidad, pero son ms adecuadas para cortes de acabado ligero, ininte-rrumpido. Con el propsito de minimizar la fractura de la herramienta, el diamante mono-cristalino debe reafilarse en cuanto se desafile. Debido a su fuerte afinidad qumica atemperaturas elevadas (lo que produce difusin), no se recomienda el diamante para maqui-nar aceros simples al carbono o aleaciones de titanio, nquel y cobalto. Tambin se usa co-mo abrasivo en las operaciones de rectificado y pulido y como recubrimientos.

22.10 Materiales para herramientas reforzados con triquitas

Para mejorar an ms el desempeo y la resistencia al desgaste de las herramientas decorte (en particular cuando se maquinan nuevos materiales y compsitos), se ha tenidoun avance continuo en el desarrollo de nuevos materiales para herramientas con propie-dades mejoradas, como:

Alta tenacidad a la fractura.

Resistencia al choque trmico.

Resistencia en el filo de corte.

Resistencia al deslizamiento.

Dureza en caliente.

Los avances incluyen el uso de triquitas como fibras de refuerzo en los materialespara herramientas de corte. Ejemplos de esto son (a) las herramientas con base de nitru-ro de silicio reforzadas con triquitas de carburo de silicio, y (b) las herramientas con ba-se de xido de aluminio reforzadas con 25% a 40% de triquitas de carburo de silicio, enocasiones con la adicin de xido de zirconio (ZrO2). Por lo comn, las triquitas tienenuna longitud de 5 a 100 mm y un dimetro de 0.1 a 1 mm. La alta reactividad del carbu-ro de silicio con los metales ferrosos hace que las herramientas reforzadas con SiC seaninadecuadas para maquinar hierros y aceros.

22.11 Costos y reacondicionamiento de las herramientas

Los costos de las herramientas varan ampliamente, dependiendo del material, el tama-o, la forma, los rompevirutas y la calidad. El costo de un inserto comn de 0.5 pulgada(12.5 mm) es de alrededor de (a) $2 a $10 dlares para carburos sin recubrir; (b) $6 a$10 para carburos recubiertos; (c) $8 a $12 para cermicos, (d) $50 a $60 para carburosrecubiertos con diamante; (e) $60 a $90 para nitruro de boro cbico, y (f) $90 a $100para insertos con punta de diamante.

Despus de revisar los costos comprendidos en el maquinado y considerando todoslos aspectos implcitos en la operacin total, se puede ver que el costo de un inserto indi-

22.12 Fluidos de corte 665

vidual es insignificante. Se estima que los costos de herramental en el maquinado son de2% a 4% de los costos de manufactura. Esta pequea cantidad obedece al hecho de queuna sola herramienta de corte puede retirar mucho material antes de ser indexada y fi-nalmente reciclada. En la seccin 21.5 se vio que la vida til esperada de la herramientapuede estar en el intervalo de 30 a 60 minutos. Entonces, si se considera que un insertocuadrado tiene ocho filos de corte, esto indica que la herramienta puede durar muchotiempo antes de que se le retire de la mquina y se le reemplace.

Las herramientas de corte se pueden reacondicionar afilndolas mediante rectifica-doras de herramientas y cortadores en un taller que tenga monturas especiales. Esta opera-cin puede efectuarse en forma manual o en rectificadoras de herramientas y cortadorescontrolados por computadora. Tambin se usan mtodos avanzados de maquinado, comose indica en el captulo 27. El reacondicionamiento de las herramientas recubiertastambin se realiza recubrindolas, por lo general en instalaciones especiales para estospropsitos. Es importante que las herramientas reacondicionadas tengan las mismas ca-ractersticas geomtricas que las originales. Con frecuencia tiene que decidirse si resultaeconmico reacondicionar una o dos veces las herramientas, sobre todo cuando los costosde los insertos comunes no constituyen un elemento bsico en la operacin total. El recicla-miento de las herramientas es un factor que siempre debe considerarse, en especial si con-tienen materiales costosos y estratgicamente importantes, como el tungsteno y el cobalto.

22.12 Fluidos de corte

Los fluidos de corte se utilizan ampliamente en las operaciones de maquinado para obte-ner los siguientes resultados:

Reducir la friccin y el desgaste, mejorando as la vida til de la herramienta y elacabado superficial de la pieza de trabajo.

Enfriar la zona de corte, mejorando as la vida til de la herramienta y reduciendola temperatura y la distorsin trmica de la pieza de trabajo.

Reducir las fuerzas y el consumo de energa.

Retirar las virutas de la zona de corte, evitando que interfieran en el proceso decorte, en particular en operaciones como el taladrado y el machueleado.

Proteger la superficie maquinada de la corrosin ambiental.

Segn el tipo de maquinado, el fluido de corte necesario puede ser un refrigerante, unlubricante o ambos. La efectividad de los fluidos de corte depende de factores como el tipode operacin de maquinado, los materiales de la herramienta y de la pieza de trabajo, la ve-locidad de corte y el mtodo de aplicacin. El agua es un excelente refrigerante y puede re-ducir de manera eficaz las altas temperaturas desarrolladas en la zona de corte; sinembargo, no es un lubricante efectivo, ya que no reduce la friccin. Adems, provoca la oxi-dacin de las piezas de trabajo y de los componentes de la mquina herramienta. Como hemos visto, la lubricacin eficaz es un factor importante en las operaciones de maquinado.

La necesidad de un fluido de corte depende de la severidad de la operacin de maqui-nado en particular, que puede definirse como el nivel de temperaturas y fuerzas encontra-das, la tendencia a la formacin de un filo acumulado, la facilidad con que las virutasproducidas pueden retirarse de la zona de corte y cun efectivamente se pueden aplicar losfluidos a la regin apropiada de la interfaz herramienta-viruta. La severidad relativa delos procesos de maquinado se manifiesta as, en orden ascendente: aserrado, torneado, fre-sado, taladrado, corte de engranes, corte de roscas, machueleado y brochado interno.

Sin embargo, existen operaciones en las que la accin de enfriamiento de los flui-dos de corte puede ser daina: se ha demostrado que pueden hacer que la viruta se vuel-va ms rizada, concentrando entonces el calor cerca de la punta de la herramienta, lo quereduce la vida til de sta. Y aun ms importante, en las operaciones de corte interrum-pido, como el fresado con cortadores de dientes mltiples, el enfriamiento de la zona de

666 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

corte provoca ciclos trmicos en los dientes del cortador, lo que originara grietas trmi-cas debidas a fatiga trmica o a impacto trmico.

Sin embargo, desde mediados de la dcada de 1990 ha habido una tendencia im-portante hacia el maquinado casi en seco, lo que significa un uso mnimo de fluidos decorte, as como el maquinado en seco; en la seccin 22.12.1 se analizan estas tendencias.

Accin del fluido de corte. En la seccin 33.6 se discuten con mayor detalle los me-canismos bsicos de lubricacin en las operaciones de trabajado de los metales. En estepunto describiremos brevemente los mecanismos por los que los fluidos de corte afectanlas operaciones de maquinado. No se comprende de inmediato cmo un fluido de cortepuede penetrar la importante cara de ataque de la herramienta y afectar el proceso decorte. Los estudios han demostrado que dicho fluido gana el acceso a la interfaz herra-mienta-viruta deslizndose por los costados de la viruta mediante la accin de capilari-dad de la red de asperezas de la superficie, que se engarzan una con otra en la interfaz.Debido al pequeo tamao de esta red de capilaridad, el fluido de corte debe tener un ta-mao molecular pequeo y poseer caractersticas humectantes apropiadas (tensin su-perficial). En consecuencia, por ejemplo, la grasa no puede ser un lubricante eficaz en elmaquinado, pero los aceites de bajo peso molecular suspendidos en agua (emulsiones)son muy efectivos.

EJEMPLO 22.2 Efectos de los fluidos de corte en el maquinado

Se est realizando una operacin de maquinado con un fluido de corte que es un lu-bricante eficaz. Qu cambiara en la mecnica de la operacin de corte si se retirarael fluido?Solucin Como el fluido de corte es un buen lubricante, al retirarlo se producirala siguiente cadena de eventos:

a. Aumenta la friccin en la interfaz herramienta-viruta.

b. Disminuye el ngulo del plano cortante, de acuerdo con la ecuacin 21.3.

c. Aumenta la deformacin cortante, como se ve en la ecuacin 21.2.

d. La viruta se vuelve ms gruesa.

e. Es posible que se forme un borde acumulado.

Como consecuencia de estos cambios, ocurrirn los siguientes eventos:

a. Aumentar la energa de cizallamiento o de cortante en la zona primaria.

b. Aumentar la energa de friccin en la zona secundaria.

c. Aumentar la energa total.

d. Aumentar la temperatura en la zona de corte, provocando un mayor desgastede la herramienta.

e. Comenzar a deteriorarse el acabado superficial y ser difcil mantener las tole-rancias dimensionales debido al incremento de temperatura y a la expansintrmica de la pieza de trabajo durante el maquinado.

Tipos de fluidos de corte. En la seccin 33.7 se describen las caractersticas y apli-caciones de los fluidos para el trabajo de los metales. Como un adelanto, a continuacinse presentan los cuatro tipos de fluidos de corte que suelen utilizarse en las operacionesde maquinado:

1. Aceites (tambin llamados aceites simples), incluyendo aceites minerales, animales,vegetales, compuestos y sintticos, que por lo general se utilizan en operaciones debaja velocidad donde el incremento de la temperatura no es significativo.

22.12 Fluidos de corte 667

2. Emulsiones (tambin llamadas aceites solubles), que son una mezcla de aceite,agua y aditivos, se utilizan por lo regular en operaciones de alta velocidad porqueel incremento de temperatura es significativo. La presencia del agua hace que lasemulsiones sean refrigerantes muy eficaces.

3. Los semisintticos son emulsiones qumicas que contienen un poco de aceite mine-ral diluido en agua y aditivos que reducen el tamao de las partculas de aceite, ha-cindolas ms eficaces.

4. Los sintticos son productos qumicos con aditivos, diluidos en agua y sin aceite.

Debido a la compleja interaccin del fluido de corte, los materiales de la pieza detrabajo, la temperatura, el tiempo y las variables del proceso de corte, no se puede gene-ralizar la aplicacin de fluidos. En los captulos 23 y 24 se dan recomendaciones sobrefluidos de corte para operaciones especficas de maquinado, recomendaciones que tam-bin hacen muchos proveedores de fluidos para el trabajo de los metales.

Mtodos de aplicacin de los fluidos de corte. Existen cuatro mtodos bsicospara aplicar los fluidos de corte en el maquinado:

1. Inundacin o enfriamiento por inundacin. ste es el mtodo ms comn (semuestra en la fig. 22.12), en el cual se indican buenas y malas prcticas de inunda-cin. Los gastos comnmente varan de 10 L/min (3 gal/min) para herramientas deun solo punto a 225 L/min (60 gal/min) para cortadores con dientes mltiples, co-mo en el fresado. En algunas operaciones, como el taladrado y el fresado, se utili-zan presiones del fluido de 700 a 14,000 kPa (100 a 2000 psi) a fin de retirar lasvirutas producidas para evitar que interfieran en la operacin.

2. Niebla o enfriamiento por niebla. Este tipo de enfriamiento suministra fluido a lasreas inaccesibles, de modo semejante al uso de una lata de aerosol, y proporcionauna mejor visibilidad de la pieza de trabajo que se est maquinando (si se comparacon el enfriamiento por inundacin). Es eficaz con fluidos con base de agua a pre-siones de aire de 70 a 600 kPa (10 a 80 psi). Sin embargo, tiene una capacidad de

(c) Buena

Disco derectificado

(d)

Buena

Broca

Deficiente

(b)

DeficienteCortador parafresado o fresa

Buena(a)

Herramienta

DeficienteBueno

FIGURA 22.12 Esquema de mtodos apropiados para la aplicacin de fluidos de corte(inundacin) en diversas operaciones de maquinado: (a) torneado; (b) fresado; (c) rectificadode roscas, y (d) taladrado.

668 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

enfriamiento limitada. La aplicacin de la niebla requiere ventilacin para evitarque el operador y otras personas cercanas inhalen partculas presentes en el fluido.

3. Sistemas de alta presin. Con la velocidad y potencia crecientes de las modernasmquinas herramienta controladas por computadora, la generacin de calor se haconvertido en un factor importante. Es muy efectivo el uso de sistemas de enfriamien-to refrigerados a alta presin para aumentar la velocidad de disipacin de calor de lazona de corte. Tambin se usan presiones elevadas para entregar el fluido de cortemediante boquillas especialmente diseadas que dirigen un poderoso chorro de fluidoa la zona, en particular dentro de la cara de relevo o de claro de la herramienta (verfig. 21.3). Las presiones empleadas, que por lo general se encuentran en el intervalode 5.5. a 35 MPa (800 a 5000 psi), actan como rompevirutas en situaciones en lasque las virutas producidas podran ser largas y continuas, interfiriendo en la ope-racin de corte. Para evitar daos a la superficie de la pieza de trabajo por el impactode cualquier partcula presente en el chorro de alta presin, el tamao de los con-taminantes en el refrigerante no debe exceder las 20 mm (800 mpulg). El filtradoapropiado y continuo del fluido tambin es fundamental para mantener la calidad.

4. Mediante el sistema de la herramienta de corte. Se ha puntualizado la severidad dediversas operaciones de maquinado respecto de las dificultades de suministrar flui-dos dentro de la zona de corte y retirando las virutas. Para una aplicacin ms efi-caz, se pueden producir estrechos pasajes tanto en las herramientas de corte comoen los portaherramientas para aplicar los fluidos de corte a alta presin. Hemosmostrado dos versiones de este mtodo: (a) el taladrado de caones, mostrado enla figura 23.24, con un pequeo orificio largo a travs del cuerpo de la propia bro-ca, y (b) barras de mandrinado, mostradas en la figura 23.17a, donde existe un lar-go orificio a travs del zanco (portaherramientas) en el que se sujeta el inserto. Sehan desarrollado diseos similares para herramientas de corte e insertos y para su-ministrar fluidos de corte a travs del husillo de la mquina herramienta.

Efectos de los fluidos de corte. La seleccin de un fluido de corte tambin debe in-cluir factores como sus efectos sobre:

El material de la pieza de trabajo y las mquinas herramienta.

Consideraciones biolgicas.

El medio ambiente.

Al seleccionar un fluido de corte, se debe considerar si el componente maquinadose someter a esfuerzos y a efectos adversos, lo que tal vez produzca agrietamiento poresfuerzo-corrosin. Esto es importante, en particular para los fluidos de corte con aditi-vos de azufre y cloro. Por ejemplo, (a) no deben utilizarse fluidos que contengan azufrecon las aleaciones de base nquel, y (b) no deben usarse fluidos que tengan cloro con eltitanio. Los fluidos de corte tambin pueden afectar de manera adversa los componentes dela mquina herramienta, por lo que debe considerarse su compatibilidad con diversosmateriales metlicos y no metlicos en la mquina herramienta. Las partes maquinadastienen que limpiarse y lavarse para retirar cualquier residuo del fluido de corte, como seindica en la seccin 34.16. Esta operacin puede ser significativa en tiempo y costo. Porconsiguiente, la tendencia es emplear fluidos de baja viscosidad, con base de agua, parafacilitar la limpieza y el filtrado.

Es comn que el operador de la mquina herramienta est muy cerca de los fluidosde corte, por lo que los efectos de este contacto sobre su salud deben ser una preocupa-cin primaria. La niebla, las emanaciones, el humo y los olores provenientes de los fluidospueden provocar severas reacciones en la piel y problemas respiratorios, en particular si seusan fluidos con constituyentes qumicos, como azufre, cloro, fsforo, hidrocarburos,biocidas y diversos aditivos. Se han obtenido grandes avances para asegurar que los flui-

22.12 Fluidos de corte 669

dos de corte se utilicen con seguridad en las plantas manufactureras, teniendo en mente lareduccin o eliminacin de su uso mediante la adopcin de las tendencias ms recientesen las tcnicas de maquinado en seco, o casi en seco (ver seccin 21.12.1).

Los fluidos de corte (y otros fluidos para el trabajo de los metales que se utilizan enlas operaciones de manufactura) pueden sufrir cambios qumicos cuando se emplean re-petidamente a lo largo del tiempo. Es posible que estos cambios se deban a los efectosambientales o a la contaminacin de diversas fuentes, incluyendo las virutas metlicas ylas partculas finas producidas durante el maquinado, as como a las trampas de aceite(provenientes de fugas en los sistemas hidrulicos, aceites de los miembros deslizantes delas mquinas y sistemas lubricantes de las mquinas herramienta). Estos cambios com-prenden el crecimiento de microbios (bacterias, moho y levadura), sobre todo en presen-cia de agua, convirtindose en un riesgo ambiental y afectando de manera adversa lascaractersticas y la eficacia de los fluidos de corte.

Existen varias tcnicas para clarificar los fluidos de corte utilizados, como el asen-tado, desnatado, centrifugado y filtrado. El reciclamiento comprende el tratamiento delos fluidos con diversos aditivos, agentes, biocidas y desodorizantes, as como el trata-miento de agua (para los fluidos con base de agua). Las prcticas de disposicin de estosfluidos deben cumplir las leyes y reglamentos federales, estatales y locales.

22.12.1 Maquinado casi seco y en secoPor razones econmicas y ambientales, desde mediados de la dcada de 1990 hay unatendencia mundial a minimizar o eliminar el uso de los fluidos para el trabajo de los me-tales, tendencia que ha llevado a la prctica del maquinado casi seco (NDM, por sus si-glas en ingls), con beneficios importantes como:

Alivio del impacto ambiental causado por el uso de fluidos de corte, mejorando lacalidad del aire en las plantas de manufactura y reduciendo los riesgos para la salud.

Reduccin del costo de las operaciones de maquinado, incluyendo el costo de man-tenimiento, reciclado y disposicin de los fluidos de corte.

Mejora adicional de la calidad superficial.

La importancia de este enfoque se evidente al observar que, slo en Estados Uni-dos, cada ao se consumen millones de galones de fluidos para el trabajo de los metales.Adems, se estima que dichos fluidos constituyen de 7% a 17% de los costos totales demaquinado.

El principio detrs del corte casi seco es la aplicacin de una fina niebla de unamezcla de aire y fluido que contiene una cantidad muy pequea de fluido de corte, inclu-yendo aceite vegetal. La mezcla se suministra a la zona de corte a travs del husillo de lamquina herramienta, comnmente por una boquilla de 1 mm de dimetro y a una pre-sin de 600 kPa (85 psi). Se utiliza a un promedio de 1 a 100 cc/hr, que es (cuando mu-cho) un diezmilsimo de los utilizados en el enfriamiento por inundacin. Enconsecuencia, al proceso tambin se le conoce como lubricacin con cantidad mnima(MQL, por sus siglas en ingls).

El maquinado en seco tambin es una alternativa viable. Con importantes avancesen las herramientas de corte, se ha demostrado que es eficaz en diversas operaciones demaquinado (particularmente torneado, fresado y corte de engranes) en aceros, acerosaleados y hierros fundidos, aunque no para las aleaciones de aluminio.

Una de las funciones del lubricante en el corte de metales consiste en retirar las vi-rutas de la zona de corte. Esto parece ser problemtico en el maquinado en seco. Sin em-bargo, se han creado diseos de herramientas que permiten aplicar aire presurizado, confrecuencia a travs del zanco de la herramienta. El aire comprimido no cumple ningnpropsito de lubricacin, slo provee un enfriamiento limitado, pero es muy eficaz pararetirar las virutas de la interfaz de corte.

670 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

Maquinado criognico. Los ms recientes desarrollos en el maquinado incluyen eluso de gases criognicos, como nitrgeno y bixido de carbono, como refrigerantes enel maquinado. Con boquillas de dimetro pequeo y a una temperatura de 2200 C(2320 F), el nitrgeno lquido se inyecta en la zona de corte. Debido a la reduccin detemperatura, se mantiene la dureza de la herramienta y se refuerza su vida til, permi-tiendo as mayores velocidades de corte. Asimismo, las virutas son ms frgiles, de ahque se aumente la maquinabilidad, y el nitrgeno simplemente se evapora, por lo que noexiste impacto ambiental adverso.

RESUMEN

A lo largo del ltimo siglo se ha desarrollado una amplia variedad de materiales paraherramientas de corte, y los ms utilizados han sido los aceros de alta velocidad, los car-buros, los cermicos, el nitruro de boro cbico y el diamante. Los materiales para herra-mientas tienen una vasta gama de propiedades mecnicas y fsicas, como dureza encaliente, tenacidad, estabilidad qumica, neutralidad y resistencia al astillado y el desgaste.

Se han desarrollado diversos recubrimientos para herramientas con mejoras impor-tantes en la vida til de las mismas, el acabado superficial y la economa de las opera-ciones de maquinado. Los materiales de recubrimiento comunes son el nitruro detitanio, el carburo de titanio, el carbonitruro de titanio y el xido de aluminio; los re-cubrimientos de diamante tambin han ganado aceptacin. Se tiende hacia los recu-brimientos de fases mltiples para mejorar an ms el desempeo.

La seleccin de los materiales apropiados para las herramientas depende no slo delmaterial a maquinar, sino tambin de los parmetros del proceso y de las caractersti-cas de la mquina herramienta.

Los fluidos de corte son importantes en las operaciones de maquinado porque redu-cen la friccin, el desgaste, las fuerzas de corte y los requerimientos de potencia. Engeneral, las operaciones de corte ms lentas y las que se realizan con altas presiones dela herramienta de corte requieren un fluido con buenas caractersticas de lubricacin.En las operaciones de alta velocidad, donde la elevacin de la temperatura puede sersignificativa, se necesitan fluidos con buena capacidad de enfriamiento y alguna lubri-cidad. En la seleccin de los fluidos de corte deben considerarse sus posibles efectosadversos sobre las partes maquinadas, las mquinas herramientas y sus componentes,el personal y el ambiente.

TRMINOS CLAVE

Aceros de alta velocidad

Aleaciones de cobalto fundido

Carburo de titanio

Carburo de tungsteno

Carburos

Carburos micrograno

Carburos no recubiertos

Cermicos

Cermicos con base de almina

Cermicos con base de nitruro de

silicio

Cermets

Cortes de acabado

Cortes de desbaste

Costos de herramientas

Diamante policristalino

Estabilidad qumica

Estelita

Fluidos de corte

Herramientas de diamante

Herramientas recubiertas

Herramientas reforzadas con

triquitas

Insertos

Inundacin

Lubricantes

Maquinado casi seco

Maquinado criognico

Maquinado en seco

Nanocristalino

Niebla

Nitruro de boro cbico

Nitruro de boro cbico policristalino

Nitruro de titanio

Reacondicionamiento de herramientas

Recubrimientos de diamante

Recubrimientos de fases mltiples

Refrigerantes

Resistencia al desgaste

Rompevirutas

Sialn

Tenacidad

Problemas cualitativos 671

BIBLIOGRAFA

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PREGUNTAS DE REPASO

22.1 Cules son las propiedades importantes requeridasen los materiales para herramientas de corte?22.2 Cules son las diferencias en composicin y pro-piedades entre las herramientas de acero al carbono y deacero de alta velocidad?22.3 Cul es la composicin de una herramienta carac-terstica de carburo?22.4 Por qu se desarrollaron los insertos para herra-mientas de corte?22.5 Por qu se recubren las herramientas? Cules sonlos materiales comunes para recubrimiento? Qu es un re-cubrimiento de fases mltiples? Cules son sus ventajas?22.6 Explique las aplicaciones y limitaciones de las he-rramientas a base de cermicos.

22.7 Cul es la composicin del sialn?22.8 Cmo se reacondicionan las herramientas de corte?22.9 Liste las funciones principales de los fluidos de corte.22.10 Explique cmo penetran los fluidos de corte en lazona de corte.22.11 Liste los mtodos mediante los cuales se aplicanlos fluidos de corte en las operaciones de maquinado.22.12 Describa las ventajas y limitaciones de las herra-mientas de diamante (a) monocristalino, y (b) policristalino.22.13 Cul es el material ms duro que se conoce des-pus del diamante?22.14 Qu es un cermet? Cules son sus ventajas?22.15 Explique la diferencia entre la serie M y la serie Tde los aceros de alta velocidad.

PROBLEMAS CUALITATIVOS

22.16 Explique por qu se han desarrollado tantos tiposde materiales para herramientas de corte a lo largo de losaos. Por qu an siguen desarrollndose?22.17 Qu propiedades de los materiales para herra-mientas son adecuadas para las operaciones de corte inte-rrumpido? Por qu?22.18 Indique las razones para recubrir herramientas decorte con mltiples capas de diferentes materiales.22.19 Liste los elementos de aleacin utilizados en losaceros de alta velocidad. Explique por qu son tan eficacesen las herramientas de corte.

22.20 Como se indic en la seccin 22.1, los materialespara herramientas de corte pueden tener propiedades enconflicto con las operaciones de maquinado. Describa susobservaciones respecto de esta materia.22.21 Comente los propsitos de los chaflanes en los in-sertos y sus caractersticas de diseo.22.22 Explique el impacto econmico de la tendenciamostrada en la figura 22.6.22.23 Por qu la temperatura tiene un efecto tan im-portante en la vida til de las herramientas?

672 Captulo 22 Materiales para herramientas de corte y fluidos de corte

22.24 Las herramientas de corte de cermicos y cermetstienen ciertas ventajas sobre las herramientas de carburos.Entonces, por qu no las han reemplazado totalmente?22.25 Pueden tener efectos adversos los fluidos de cor-te? De ser as, cules son?22.26 Describa las tendencias que observ en la tabla 22.2.22.27 Por qu son importantes la estabilidad qumica yla neutralidad en las herramientas de corte?22.28 Cmo hara para medir la efectividad de los flui-dos de corte? Explique cualquier dificultad que pudieraencontrar.22.29 Los recubrimientos de nitruro de titanio en las he-rramientas reducen el coeficiente de friccin en la interfazherramienta-viruta. Qu importancia tiene esto?22.30 Describa las condiciones necesarias para el usoptimo de las capacidades de las herramientas de corte dediamante y de nitruro de boro cbico.22.31 Liste y comente las ventajas de recubrir las herra-mientas de acero de alta velocidad.22.32 Explique los lmites de aplicacin cuando se com-paran las herramientas de corte de carburo de tungstenocon las de carburo de titanio.22.33 En general, se prefieren los ngulos negativos deataque para las herramientas a base de cermicos, de dia-mante y de nitruro de boro cbico. Por qu?22.34 Cree que existe relacin entre el costo de una he-rramienta de corte y su resistencia en caliente? Explique surespuesta.22.35 Realice una investigacin en la bibliografa tcni-ca y d algunos valores caractersticos de las velocidadesde corte para las herramientas de acero de alta velocidad ypara varios materiales de la pieza de trabajo.22.36 En la tabla 22.1, las ltimas dos propiedades lista-das pueden ser importantes para la vida til de la herra-mienta de corte. Por qu?

22.37 Se ha indicado que los recubrimientos de nitrurode titanio permiten que las velocidades de corte y losavances sean mayores que con herramientas no recubier-tas. Investigue en la bibliografa tcnica y elabore una ta-bla que muestre el incremento porcentual de lasvelocidades y avances que podran obtenerse al recubrirlas herramientas.22.38 Notar en la figura 22.1 que todos los materialespara herramientas tienen una amplia variedad de durezaspara una temperatura particular, especialmente los carbu-ros. Describa los factores que sean responsables de estagama.22.39 Liste y explique los factores que deben considerar-se en la decisin de reacondicionar, reciclar o desechar unaherramienta de corte.22.40 En relacin con la tabla 22.1, establezca qu ma-teriales para herramientas seran adecuados para las ope-raciones de corte interrumpido. Explique su respuesta.22.41 Cul de las propiedades indicadas en la tabla22.1 es, segn su opinin, la menos importante en las he-rramientas de corte? Explique su respuesta.22.42 Si el objetivo de una broca es el trabajo en madera,con qu material es ms probable que se fabrique? (Suge-rencia: En el trabajo en madera, es raro que las temperatu-ras se eleven a 400 C). Existe alguna razn por la cualuna broca como la indicada no pueda utilizarse para tala-drar algunos orificios en un metal? Explique su respuesta.22.43 Cules son las consecuencias de un recubrimien-to que tenga un coeficiente de dilatacin trmica diferenteal del sustrato?22.44 Discuta las ventajas y limitaciones relativas al ma-quinado casi seco. Considere todos los aspectos tcnicos yeconmicos.

PROBLEMAS CUANTITATIVOS

22.45 Revise el contenido de la tabla 22.1. Grafique va-rias curvas para mostrar relaciones entre intervalos, siexiste alguna, entre parmetros como la dureza, la resis-tencia a la ruptura transversal y la resistencia al impacto.Comente sus observaciones.22.46 Obtenga datos sobre las propiedades trmicas dediferentes fluidos de corte. Identifique los que sean refrige-

rantes eficaces (como los fluidos con base de agua) y losque sean buenos lubricantes (como los aceites).22.47 En la primera columna de la tabla 22.2 se muestransiete propiedades importantes de las herramientas de corte.Agregue datos numricos para cada propiedad de cada unode los materiales indicados en la tabla. Describa sus obser-vaciones, incluyendo cualquier dato que se traslape.

Sntesis, diseo y proyectos 673

SNTESIS, DISEO Y PROYECTOS

22.48 Describa con detalle lo que piensa en relacin conlos factores tcnicos y econmicos comprendidos en la se-leccin de materiales para herramientas.22.49 Una de las principales preocupaciones con los re-frigerantes es la degradacin ocasionada por el ataquebiolgico de las bacterias. A menudo se les agregan bioci-das qumicos para prolongar su vida til, pero estos biocidascomplican la disposicin de los refrigerantes. Investigue enla bibliografa respecto de los ltimos desarrollos sobre eluso de biocidas benignos con el medio ambiente en losfluidos de corte.22.50 Pngase en contacto con varios proveedores deherramientas de corte, o busque en sus sitios de Internet.Liste los costos de herramientas de corte comunes para di-versos tamaos, formas y caractersticas.22.51 Como puede ver, en la actualidad existen varios ti-pos de materiales para herramientas de corte para las ope-

raciones de maquinado. Sin embargo, an se realizan mu-chas investigaciones y desarrollos destinados a estos mate-riales. Liste las razones por las que piensa que se efectandichos estudios. Comente cada una de esas razones, conuna aplicacin o ejemplo especfico.22.52 Suponga que est a cargo de un laboratorio para eldesarrollo de fluidos de corte nuevos o mejorados. Con ba-se en los temas presentados en este captulo y en el anterior,sugiera una lista de temas para que investiguen los miem-bros de su equipo. Explique por qu eligi esos temas.22.53 Realice una investigacin en la bibliografa tcni-ca y describa las tendencias en los nuevos materiales paraherramientas de corte y recubrimientos. Cules se estnponiendo a disposicin de la industria?