Retos en el corte del hierro con grafito compactado

El desarrollo continuo de novedosos materiales duros para piezas de trabajo impulsa a los fabricantes de herramientas de corte a crear nuevas y apropiadas geometrías de cortador, grados de carburo y tecnologías de recubrimiento. Los talleres que atienden a la industria aeroespacial, por ejemplo, deben encontrar formas efectivas para mecanizar titanio 5553 y compuestos. Lo mismo pasa con los talleres médicos a los que se les pide mecanizar polímero Peek, inoxidable y otros materiales exóticos. Uno de los materiales difíciles de mecanizar que hace su entrada en la industria automotriz es el hierro con grafito compactado (CGI). Este material se usa principalmente para crear bloques de motor, cabezas de cilindro y fundiciones de rodamientos usados típicamente para grandes camiones diesel. El resultado es una mejor eficiencia de combustible para vehículos en la carretera, porque el CGI pesa la mitad de la fundición de hierro gris convencional. Además, tiene el doble de la resistencia y rigidez de la fundición de hierro gris, lo cual permite a los diseñadores minimizar los espesores de pared de los bloques de motor. Como resultado, un motor en CGI ensamblado pesa usualmente cerca de 9% menos que uno hecho de fundición de hierro gris.

El CGI ha sido usado en Europa por algún tiempo y está ganando aceptación en Estados Unidos. Puede manejar presiones de combustión pico encontradas en los motores diesel –los bloques de motores en aluminio con revestimientos de cilindros en hierro no pueden–. Algunos motores de carreras estilo V, de alto desempeño, también están hechos de CGI, no sólo por su peso reducido sino por su rigidez incrementada, especialmente en el valle entre cilindros.

Una razón por la que el CGI resulta más difícil de mecanizar es porque tiene dos a tres veces la resistencia a la tensión de la fundición de hierro gris, anota Robert McAnally, especialista de la industria en fresado automotor de Sandvik Coromant (Fair Lawn, New Jersey). La mayor resistencia a la tensión se traduce en fuerzas de corte más altas durante las operaciones de fresado –se requiere aproximadamente 15% a 25% más potencia de mecanizado para mecanizar CGI versus fundición de hierro gris–. Por esto, el equipo de taller destinado a mecanizar fundición de hierro gris puede no poseer la potencia para manejar el mecanizado del CGI. McAnally afirma que hay otras dificultades en ello:

• El CGI tiene relativamente baja conductividad térmica, de modo que el calor generado durante el mecanizado se desplaza a la pieza de trabajo, lo cual afecta adversamente el desgaste de la herramienta. A la inversa, la alta conductividad térmica de la fundición de hierro gris, permite alejar el calor con la viruta durante una operación de mecanizado.


• La corteza de la fundición en un componente de CGI tiene una estructura ferrítica, lo cual ocasiona que el material se pegue al filo de corte de la herramienta. Esto no ocurre con la fundición de hierro gris, que tiene una estructura perlítica.


• A diferencia de la fundición de hierro gris, el CGI no contiene azufre. El azufre en la fundición de hierro gris se deposita en el filo de corte de la herramienta y actúa como un lubricante que extiende la vida de la herramienta.


• El titanio que se usa como un elemento de aleación durante el proceso de fundición del CGI, crea una piel de fundición más dura. Esto también causa la formación de carburos libres abrasivos en toda la fundición. La cantidad de elementos de aleación en el CGI tiene un gran impacto en la maquinabilidad y la vida de la herramienta.

Por todos estos factores, las herramientas usadas para cortar CGI generalmente duran la mitad de lo que duran aquellas que cortan fundición de hierro gris.

Fresado y perforado
El CGI provee, aproximadamente en 50%, mejor acabado superficial (Rz) en fresado que la fundición de hierro gris, lo cual significa que pueden necesitarse menos pases de mecanizado o que puede no ser necesaria una herramienta de acabado separada para entregar el acabado requerido. Durante el mecanizado, el CGI no produce fractura del filo del componente cuando la herramienta sale del corte. La fundición de hierro gris suele producir astillas, que pueden rayar el bloque con fractura extrema. El CGI, que actúa más como el acero en este aspecto, produce una rebaba más que una fractura.

Debido a la reducida velocidad de corte requerida para mecanizar CGI, se puede triplicar el tiempo que tomaría cortar fundición de hierro gris con procesos convencionales. Sandvik ha desarrollado muchas pruebas para determinar formas efectivas de mecanizar CGI. Para operaciones de fresado, el material de la herramienta que se ha determinado trabaja mejor es el carburo recubierto con capas gruesas de nitruro de carburo titanio (TiCN) y óxido de aluminio (Al2O3). McAnally describe un recubrimiento grueso, como de 7 a 10 micras; los recubrimientos delgados son usualmente de 2 a 3 micras.

Para operaciones de taladrado y perforado, la compañía recomienda un sustrato de carburo con altas características de desgaste abrasivo, acopladas con recubrimientos gruesos resistentes al desgaste, que se aplican usando deposición química de vapor (CVD) con temperatura media. Se ha encontrado que perforar CGI usando un inserto CBN ofrece sólo una décima parte de la vida de la herramienta que si se perfora fundición de hierro gris. Una geometría ligeramente positiva es apropiada (entre 5 y 10 grados) y se recomienda que las operaciones CGI sean desarrolladas sin refrigerante.

Sandvik trabajó con Makino para desarrollar un proceso de perforado que pueda acabar un cilindro perforado por desbaste en un solo pase. La herramienta de insertos múltiples desarrollada se denomina Long-Edge Tool. La herramienta entra en un patrón helicoidal bajo un cilindro y se dice que acaba un agujero en aproximadamente la misma cantidad de tiempo que si fuera fundición de hierro gris. Una operación de afilado ulterior es todo lo que se requiere antes del ensamble del motor.

Mientras se desarrollan estos procesos de perforación-acabado, las compañías determinaron que el desbaste se ataca mejor usando un cortador tipo fresa tradicional de cabeza sencilla, con insertos que tengan recubrimiento en Si3Ni4 y geometría optimizada para perforar CGI.

Aquí están los resultados de una prueba de fresado que desarrolló Sandvik en un componente de control de fluido usando su cortador CoroMill 365, diseñado para mecanizar fundición de hierro. El inserto grueso usado tiene geometría positiva 12°, pero se instala en un bolsillo negativo para producir un ángulo total ligeramente positivo. Esto también permite una mayor densidad de insertos para maximizar la productividad.

Máquina-herramienta: Heller PFV2
Profundidad de corte:3 mm (0.118”)
Penetración:80 mm (0.315”)
Velocidad de corte: 130 m/min (426 sfm)
Revolución: 414 rpm
Avance: 298 mm/min (11.73 ipm)
Avance por diente:0,36 mm (0.014”)
Número de insertos: 2 insertos para propósitos de la prueba
Total de área fresada:3,08 m² (33.15 ft2)
Vida de la herramienta: 130 min (penetración total)
Vida de la herramienta por inserto: 1,54m² (16.57 ft2)