Mecanizar en seco: un ensayo que vale la pena

En una planta que visitamos recientemente, el salto producido en el desempeño al eliminar el uso de fluido refrigerante tomó al personal por sorpresa. El descubrimiento vino por accidente. Una falla en el suministro de fluido de corte forzó a un turno a mecanizar su producción en seco. La necesidad es la madre de la invención y los empleados experimentaron para determinar hasta qué punto podían trabajar de manera efectiva. Descubrieron que la inversión en fluidos de corte no necesariamente produce dividendos.

La economía en el uso de fluidos de corte cambió sustancialmente en las pasadas dos décadas. En los principios de los ochenta, la compra, administración y desecho de fluidos de corte constituía, por lo menos, 3% de los costos de la mayoría de los trabajos de mecanizado. Hoy los fluidos --incluidos su administración y desecho-- alcanzan 16% del costo promedio del trabajo. Como las herramientas de corte constituyen tan sólo 4% del costo total de un proyecto de mecanizado, aceptar una vida de herramienta ligeramente menor a cambio de eliminar el costo y los dolores de cabeza de mantener los fluidos de corte, puede ser una opción menos costosa.

Y la vida de la herramienta puede no disminuir. Los recubrimientos de carburo, cerámicos, cermet, nitruros cúbicos de boro (CBN) y diamante policristalino (PCD) son frágiles y susceptibles de descascararse y romperse con los esfuerzos térmicos --especialmente los utilizados en operaciones de torneado de caras y de fresado--, y su integridad puede agravarse con la introducción de refrigerantes.

En fresado, por ejemplo, los bordes de corte se calientan y enfrían cuando entran y salen de la pieza. Las expansiones y contracciones producidas por estas fluctuaciones de temperatura causan fatiga. Eventualmente, una serie de grietas térmicas puede formarse perpendicularmente al borde y causar su rompimiento.

El uso de un fluido de corte, a menudo puede empeorar la situación por una simple razón: la mayoría de los efectos del enfriamiento van a las partes del trabajo que ya están más frías que el corte. Los expertos todavía debaten si alguna parte del fluido alcanza la zona de corte y el espacio entre la viruta y la pieza para controlar el calor de mecanizado desde la fuente. Los fluidos tienden a enfriar sólo la región circundante –áreas que se habían calentado previamente--intensificando así los gradientes de temperatura y aumentando los esfuerzos térmicos.

El roscado, el rimado y el taladrado necesitan la ayuda que un fluido de corte puede brindar (pero no necesariamente para enfriamiento). El taladrado, en particular, requiere lubricación en la punta de la broca y del flujo para evacuar las virutas del hueco. Sin fluidos, las virutas pueden sellar el hueco de tal manera que la rugosidad promedio de la superficie mecanizada puede ser hasta dos veces mayor de lo que sería posible en una operación húmeda. La lubricación del punto de contacto entre el margen de la broca y la pared del hueco también puede reducir el torque requerido de la máquina.

Algunos materiales prefieren estar secos
Además del costo y de la vida de la herramienta, otro factor que afecta la selección del mecanizado en seco es la pieza de trabajo. Algunas veces, el fluido de corte puede producir herrumbre en la pieza o contaminarla. Consideremos un implante médico, como la junta de bolas de la cadera. Los fluidos de corte son indeseables cuando hay temor de contaminación.

La susceptibilidad de la pieza de trabajo para un proceso seco también depende del material. Un fluido de corte puede ser superfluo en el corte de la mayoría de las aleaciones de hierro fundido, aceros al carbono y aceros aleados, por ejemplo. Estos materiales, que son relativamente fáciles de mecanizar y conducen bien el calor, permiten que las virutas transporten la mayoría del calor generado. La excepción es el acero de bajo carbono, que se vuelve más adhesivo en la medida en que disminuye el contenido de carbono. Estas aleaciones pueden necesitar un fluido como lubricante para prevenir la soldadura.

Los fluidos de corte normalmente son innecesarios cuando se mecaniza la mayoría de las aleaciones de aluminio, por las temperaturas relativamente bajas que se presentan. En situaciones en las que ocurre la soldadura de la viruta en estos materiales, el problema generalmente puede ser resuelto con el uso de ángulos de ataque altamente positivos y bordes agudos que corten el material. Sin embargo, el refrigerante a alta presión puede ser útil cuando se corta aluminio a altas velocidades, mientras que un simple chorro de aire no es suficiente para ayudar a romper y a evacuar las virutas.

Mecanizar aceros inoxidables en seco es un poco más difícil. El calor puede causar problemas en estos materiales al sobretemperar aleaciones martensíticas, por ejemplo. En muchas aleaciones austeníticas, el calor no fluye bien desde la zona de corte hacia las virutas porque la conductividad térmica tiende a ser muy baja. El sobrecalentamiento del borde de corte puede, por tanto, disminuir la vida de la herramienta hasta valores inaceptables. Otra razón por la que los fluidos de corte son usualmente necesarios para mecanizar aceros inoxidables es que muchas aleaciones son gomosas, lo cual significa que son propensas a causar abarrotamiento en el borde de corte, dando como resultado un acabado superficial pobre.

Para muchos materiales, el mecanizado en seco es una excepción. Las aleaciones para altas temperaturas constituyen un grupo completo de materiales que requieren fluidos de corte. En particular, el corte de aleaciones con base en níquel y cromo produce temperaturas extremadamente altas que requieren un fluido de corte para disipar el calor. La lubricidad de un fluido también mantiene la generación en un mínimo.

El uso de fluidos de corte es imperativo cuando se mecaniza titanio. Aunque los investigadores buscan maneras de mecanizar titanio en seco, las propiedades de este material constituyen obstáculos significativos para hacerlo. Es gomoso, tiene baja conductividad térmica, y (en el caso de algunas aleaciones) tiene un bajo punto de llama. Como consecuencia, las virutas no extraen el calor y la pieza se calienta tanto que puede llegar a ignición y arder (el magnesio también arde fácilmente y, por ende, sus virutas). Los fluidos de corte previenen el problema lubricando el borde, retirando las virutas y enfriando la pieza de trabajo. Para asegurar que el fluido realice bien estas funciones, las aleaciones de titanio necesitan fluidos suministrados a alta presión, generalmente en un rango de 4.000 psi a 7.000 psi.

En ocasiones, los metales de polvos también necesitan un fluido de corte para generar un recubrimiento delgado como inhibidor de herrumbre.

Las herramientas deben controlar el calor
Mientras muchos talleres han aprendido el valor del mecanizado en seco por accidente, muchos otros han fallado en ver sus beneficios aunque hayan tenido el propósito. La razón es que el éxito del mecanizado en seco requiere mucho más que eliminar el refrigerante –demanda una estrategia metódica para controlar el calor en el proceso global.

La formación de buenas virutas es la manera más importante como la herramienta afecta la transferencia de calor. Las virutas pueden transportar 85 % del calor generado por la acción de corte, permitiendo que 5 % entre en la pieza y que 10 % fluya hacia la herramienta y hacia otras partes. Las modernas ranuras de las virutas prensadas en la superficie de las herramientas son una gran ayuda para la rotura de virutas en formas y tamaños manejables. Como las virutas son más calientes y, por tanto, más dúctiles que sus contrapartes en el mecanizado húmedo, resultan más difíciles de romper y más susceptibles de ocasionar peligrosos enredos que producen acabados superficiales pobres. Utilizar una ranura de virutas diseñada para cortar materiales resortados puede ayudar a resolver el problema. Aunque este tipo de bordes tiende a presentar ángulos de ataque más positivos, no son tan frágiles y susceptibles al rompimiento como lo serían en aplicaciones húmedas. Las altas temperaturas de corte inherentes al mecanizado en seco por lo general suavizan un poco el carburo, lo que incrementa la tenacidad, reduciendo la probabilidad de formación de virutas y mejorando la confiabilidad y longevidad de la herramienta.

Por la misma razón, cambiar hacia una herramienta algo más dura y trabajar en seco, raramente reduce la vida de la herramienta o degrada la consistencia del corte. De hecho, lo opuesto es verdad. Un sustrato más fuerte asegura que el borde retiene su integridad a altas temperaturas de corte; además, el ligero ablandamiento lo previene de ser muy frágil. Consecuentemente, los usuarios pueden especificar un grado más duro de carburo para resistir la deformación y la aparición de cráteres (disolución química del borde de la herramienta), que de otra manera acortarían la vida de la herramienta y lo harían inaceptable en aplicaciones secas.

Como las herramientas diseñadas para mecanizado en seco pueden ser más agudas, tienden a cortar más libremente que sus contrapartes de mecanizado húmedo, por lo que realmente generan menor fricción y ayudan a controlar el calor. Estudios en taladrado han demostrado que disminuir el borde de corte para crear una broca más aguda puede reducir la temperatura en 40 %. Utilizar bordes agudos no sólo mantiene la temperatura baja, sino que reduce el descentramiento y mejora el acabado superficial.

Otra manera de ayudar al rompimiento de las virutas y a la evacuación de calor consiste en reemplazar el líquido de corte por un gas; el aire es el más utilizado. Aunque no resulta muy eficiente para el enfriamiento, un chorro de aire de taller a veces basta para retirar las virutas de la pieza y de la máquina. Cuando la lubricación es necesaria, los usuarios pueden aplicar un lubricante de alta eficiencia, como una niebla, que es consumida en el proceso de corte. El método más efectivo es una técnica relativamente nueva referida algunas veces como la mínima cantidad de lubricación (MQL, Minimum Quantity Lubrication), que aplica cantidades mínimas de refrigerante a través de la herramienta.

Los recubrimientos aíslan la herramienta
Los recubrimientos de herramientas también desarrollan un papel importante en la protección del borde de corte durante el mecanizado en seco. Algunos de los insertos de herramientas de corte más efectivos para el mecanizado en seco combinan un sistema de recubrimiento especialmente diseñado, con una zona de sustrato enriquecida en cobalto que ofrece un interior fuerte y una superficie tenaz. Un recubrimiento multicapas excepcionalmente grueso, de 20 micras, se obtiene mediante una combinación de procesos de deposición química de vapores convencional y de temperatura media. La primera capa de carbonitruro de titanio produce la adhesión necesaria al sustrato y le da tenacidad al borde. Enseguida, una capa de óxido de aluminio de grano fino proporciona la efectiva barrera térmica necesaria para el mecanizado en seco y para el corte a altas velocidades. Una segunda capa sándwich de carbonitruro de titanio, resistente a la abrasión, ayuda a controlar el desgaste de los flancos y la formación de cráteres, mientras que la capa superior de nitruro de titanio da resistencia al abarrotamiento del borde y hace más fácil la determinación del desgaste en el inserto.

Los recubrimientos lubricantes reducen la generación de calor y disminuyen la fricción. Los recubrimientos como el disulfuro de molibdeno y el carbón-carburo de tungsteno tienen bajos coeficientes de fricción y pueden lubricar la acción de corte. Desgraciadamente, estos recubrimientos son suaves y proporcionan una vida relativamente baja de la herramienta. Para compensar dicha limitación, son utilizados a menudo con bases duras como el carburo de titanio, el nitruro de aluminio-titanio, el óxido de aluminio u otra combinación.

Encuentre los mejores parámetros de corte
Para obtener buenos resultados en el mecanizado en seco se requiere mucho más que la especificación de las herramientas correctas de corte. También es importante trabajarlas con las velocidades óptimas de husillo, avances y profundidades de corte. Por ejemplo, si el cambio de ranura no controla adecuadamente las virutas, ensaye entonces con el avance. El aumento del avance usualmente ofrece los mejores resultados, pero en algunas raras ocasiones, una disminución del avance puede ser benéfica.

El uso de los parámetros apropiados de corte también puede ayudar a mantener la generación de calor en un valor mínimo. La manera más obvia de que las altas velocidades y avances puedan hacer esto, consiste en reducir la carga de las virutas pasando por el material más rápido. Permanecer menos tiempo en el corte reduce el tiempo disponible para la generación de calor y para su difusión hacia la pieza de trabajo.

Pero, algunas veces, disminuir la velocidad del husillo cerca de 15 % es la mejor línea de acción a fin de reducir las temperaturas. Para prevenir que la productividad sufra, el usuario puede aumentar la velocidad de avance en una cantidad comparable. Es indispensable consultar la tabla de torques de la máquina para asegurar que las velocidades más bajas y los avances mayores no aumenten las exigencias de torque, puesto que el husillo podría tratar de frenarse. Si las exigencias de torque exceden la capacidad del husillo, escoja una herramienta con menor diámetro. Si las velocidades mayores de avance afectan el acabado superficial, entonces, para compensar, aumente el radio de nariz de la herramienta.

En fresado, la profundidad de corte también tiene influencia en la temperatura de corte porque afecta la presión y el tiempo de enfriamiento. Los insertos de corte de herramientas en contacto continuo, gastan la mitad de su tiempo calentándose en el corte y la otra mitad enfriándose en el aire. Sin embargo, cuando la permanencia es de 50 %, gastan sólo un cuarto de una rotación en el corte y tres cuartos de la rotación en el aire. En otras palabras, un inserto, cuando mucho, gasta la mitad del tiempo calentándose y mucho más tiempo en el enfriamiento. La mayoría de fabricantes de herramientas determinan las profundidades de corte con el fin de obtener temperaturas de corte óptimas para varias durezas. Por lo tanto, siga sus recomendaciones.

Las máquinas también desempeñan un papel
Mientras la herramienta saca las virutas de la zona de corte, la máquina debe hacer su parte y evacuarlas con rapidez. Si las virutas se acumulan en la cama de la máquina o en alguna otra parte, aun por cortos períodos, el calor dentro de las virutas también podrá fluir al cuerpo de la máquina y causar dilataciones y pequeñas distorsiones que pueden afectar la exactitud y la precisión del trabajo.

Sin un fluido de corte que evacue las virutas y absorba el calor, la máquina debe confiar en su diseño para remover las virutas eficientemente. Para fresado en seco, las máquinas de husillo horizontal tienden a ser mejores porque permiten que las virutas caigan directamente en el transportador, en la parte inferior de la máquina. De hecho, algunos fabricantes han diseñado sus últimos centros de mecanizado horizontales, abiertos en el centro, para eliminar superficies horizontales que puedan recoger virutas dentro del espacio de trabajo.

Para torneado, la orientación preferida del husillo es justamente la opuesta. Los mandriles verticales son totalmente sellados, de tal manera que la inercia lanza las virutas contra las paredes cuando la pieza gira. Las virutas caen entonces al transportador de virutas en la parte inferior. Muchos fabricantes han diseñado sus últimos tornos verticales con husillos invertidos para explotar aún más la gravedad.

Aunque los transportadores de virutas no son elementos estándar en todas las máquinas de hoy, resultan imperativos en mecanizado en seco. En máquinas cerradas, un filtro de vacío también puede remover los desechos cuando se corta hierro gris y grafito.

No importa cuán eficiente sea la máquina en remover virutas, ella y la pieza de trabajo son más sensitivas a las variaciones de temperatura cuando no hay fluido de corte presente para agregar estabilidad térmica. Como consecuencia, aquellas aplicaciones que requieran tolerancias ajustadas pueden necesitar una máquina con diseño simétrico y un paquete de compensación térmica para ajustar las desviaciones sobre la marcha. Los usuarios también deben considerar la medición periódica de las dimensiones críticas en la pieza con un palpador en línea o en una estación de medida fuera de línea para monitorear las desviaciones térmicas y tomar las acciones correctivas cuando sea necesario.

Otro manera de controlar las fluctuaciones térmicas es planear el proceso para mantenerlas en un mínimo. Por ejemplo, el operador tiene que darle a la máquina el tiempo para estabilizarse antes del arranque en las mañanas y utilizar la automatización para mantener la máquina corriendo durante los descansos. Para aplicaciones que realizan varias operaciones en un solo montaje, se debe planear el orden de las operaciones de tal manera que se realicen los trabajos de mecanizado en seco, primero, y el taladrado, roscado y otras operaciones en húmedo, al final. Tomar estas precauciones permite mantener el uso de los fluidos de corte en un mínimo y evita que interfieran en las operaciones que trabajan en seco.

®Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.