Reducción del desgaste de la herramienta en cortes exigentes

Reducción del desgaste de la herramienta en cortes exigentes

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Para proveer el mejor producto posible es importante estar a la vanguardia en el competido mercado de hoy, pero muchos proveedores ven también la capacidad de mejorar la rentabilidad de sus clientes por medio de un servicio al cliente con valor agregado como componente esencial para el éxito. Ya que Seco Tools –fabricante de herramientas de corte– no es la excepción a esta filosofía, fue más allá de la norma para solucionar una falla de inserto experimentada por un cliente en una aplicación problemática con acero inoxidable. Al final, el trabajo de investigación del proveedor le permitió al cliente reducir los costos y el tiempo de mecanizado de la aplicación en 85% y 52%, respectivamente.

El cliente, Main Manufacturing, es una empresa familiar que comenzó en 1959 como  fabricante de prensas hidráulicas. Durante los años setenta, la compañía inició una transición alejándose de la construcción de prensas para enfocarse en la producción de bridas hidráulicas y componentes relacionados. En 1999, la compañía se mudó a una nueva planta de 4460 metros cuadrados en Grand Blanc, Michigan, donde ahora cuenta con 200 máquinas. Produce más de 15.000 partes, la mitad de las cuales son especiales o incluyen requerimientos no catalogados. Las corridas de partes típicas varían de 5 a 500 piezas.

Las bridas son una parte crítica de cualquier sistema hidráulico. Las bridas que ellos producen se usan en diferentes equipos construidos para soportar presiones que van desde 3000 hasta 8000 psi, incluidos taladros de perforación petroleros, prensas de estampado, piscinas de olas, sistemas de lubricación y efectos de parques temáticos. Un objetivo principal es entregar los pedidos de bridas en un período de tres días (incluido un día para el procesamiento). A fin de lograr esto, los operadores alistan las máquinas en menos de 15 minutos y corren de ocho a diez trabajos de producción por día.

Main ha usado las herramientas de corte de Seco por más de 10 años, la mayoría de ellas para aplicaciones de taladrado y torneado. Este trabajo en particular es una brida de alta presión, mecanizada en acero inoxidable 304 en un torno CNC Doosan 240. La brida comienza como una placa rectangular de 2.25” x 1.5”, en la cual se desbasta frontalmente un cubo hacia abajo en el centro de la parte, a 300 sfpm y 0.01 ipr. Originalmente, la empresa mecanizó las bridas con tres pasadass de 0.1” y un paso final a una profundidad de corte de 0.05”. El corte interrumpido ocasionó un desgaste significativo y la formación de astillas en el borde del cortador, lo cual limitó la vida de la herramienta en aproximadamente 1,5 partes por inserto.

Inicialmente, contactaron a Seco para que les suministrara herramientas y los asesorara en el fresado de una ranura anular en la brida. Sin embargo, el fabricante de la herramienta de corte estaba buscando una aplicación de corte interrumpido exigente para probar sus nuevos grados de torneado Duratomic en acero inoxidable, particularmente el grado TM4000. Los especialistas de ventas y aplicaciones de Seco, Joel Henige y Todd Miller, le preguntaron a Main si podían probar el nuevo grado con ellos.

“Cortar un cuadrado en una aplicación de torneado es un verdadero reto para los insertos –comenta Henige–. Un corte interrumpido puede  causar fallas, incluso en el recubrimiento multicapa más tenaz, pero confiábamos en que el recubrimiento del Duratomic podría mejorar el desempeño de Main”.

Los recubrimientos Duratomic mejoran la tenacidad y la resistencia al desgaste al alterar la estructura del cristal a escala atómica, según Seco Tools. El grado TM4000 está diseñado para maximizar la tenacidad en la zona de corte sin comprometer la resistencia del material base, gracias a la combinación de un recubrimiento y un sustrato categorizado. De acuerdo con el fabricante, las pruebas de laboratorio demuestran que esta construcción mejora sustancialmente la resistencia a la formación de cráteres y a la fractura del borde.

La decisión inicial fue correr el TM4000 con los mismos parámetros que la herramienta usada previamente para la aplicación de la brida. Sin embargo, y para sorpresa de todos, no se desempeñó mejor que el otro inserto. Creyendo que el grado era capaz de soportar parámetros de mecanizado más altos, los especialistas de aplicaciones incrementaron la velocidad de corte a 650 sfpm e incorporaron el rompeviruta MF4.

El MF4 está diseñado para ofrecer una formación consistente de viruta y romperla, en el torneado de acero inoxidable y otros materiales ISO. Según Seco, su principal ventaja es un ángulo de corte positivo que reduce significativamente las fuerzas de corte para permitir velocidades más altas e incrementar la productividad. Con el MF4 y los nuevos parámetros de corte, el equipo triplicó la vida de la herramienta.

Sin embargo, esto estaba lejos de los resultados que el equipo había previsto. Miller y Henige examinaron los insertos con lupa pero no encontraron ningún problema. En este punto, los dos decidieron hacerle un examen minucioso a la herramienta bajo un microscopio que brinda 60 veces la potencia óptica de la lupa. “Tengo que decir que rara vez encontramos esta clase de servicio por parte de nuestros proveedores”, comenta Terry Bettinger, supervisor de planta de Main Manufacturing.

El microscopio reveló una formación de astillas en el borde, que Miller y Henige no habían percibido con la lupa. Descubrieron que el flujo de viruta erosionaba la parte posterior de la superficie del MF4. Al examinar el patrón de desgaste, también notaron que un radio más grande de nariz ayudaría a incrementar la resistencia del borde. Entonces recomendaron incrementar la tasa de avance a 0.016 ipr, usando un radio de 0.0468”. La velocidad de corte permaneció en 650 sfpm, ya que el equipo no había descubierto ningún otro problema relacionado con el calor.

“Estábamos satisfechos –comenta el mecánico de Main Manufacturing, Craig Bendle–. La productividad se duplicó en relación con nuestro alistamiento original y la vida de la herramienta saltó a siete partes por esquina, siete veces mejor de lo que obteníamos antes”.

Pero Henige y Miller no estaban todavía listos con su análisis. Otro paso por el microscopio reveló que la falla del inserto estaba siendo ocasionada por agrietamiento térmico. Las grandes diferencias de temperatura entre el filo de corte y el inserto pueden causar grietas perpendiculares al filo de corte, explica Henige. Estas fluctuaciones de temperatura, comunes en aplicaciones de corte interrumpido, tienden a generar altas temperaturas durante el corte.

Para mejorar aún más el proceso, el equipo decidió correr la aplicación en seco porque el refrigerante –en este caso agua– puede exacerbar el agrietamiento térmico. Como resultado, la vida de la herramienta se duplicó ahora a 15 puntos por esquina, y cualquier borde deteriorado fue causado sólo por el desgaste lateral normal por abrasión. Con las recomendaciones del equipo de Seco, Main pasó de retirar 3.6 pulgadas cúbicas por minuto, a 12.483. Con un tiempo de corte reducido a la mitad, la productividad de partes se incrementó de 17 a 54 piezas por hora.

“Nosotros corremos este trabajo con frecuencia y totalizamos alrededor de 3000 bridas por año –comenta Bob Mackey, gerente general en Main Manufacturing–. Pero lo que realmente encontramos emocionante es que podemos tomar lo que hemos aprendido de esta experiencia y aplicar el TM4000 a cientos o, tal vez, miles de trabajos similares que realizamos”.

ENFOQUE

Para entender la falla de los insertos
Dado el énfasis de hoy en el control de costos, las compañías son continuamente desafiadas para incrementar la producción de partes que, por lo general, son difíciles de mecanizar. En parte, para conseguir esta meta, se logra el más alto porcentaje de uso predecible de la herramienta. Esto les permite a los fabricantes programar su indexado de insertos a intervalos óptimos, mantener las precisiones dimensionales de partes y reducir el desgaste y daño de sus máquinas.

Para obtener un desempeño óptimo de la herramienta de corte hay que entender los factores que contribuyen al desgaste de los insertos, lo cual puede tomar un largo camino. Cuando los fabricantes entienden los modos de falla de los insertos –las causas, qué buscar y cuándo esperarlo– pueden tomar acciones correctivas para reducir el desgaste total del inserto.

Los modos de falla pueden dividirse en ocho áreas distintas, aunque a menudo traslapadas: desgaste lateral normal, formación de cráteres, formación en el borde (BUE, Built Up Edge), formación de astillas, falla mecánica térmica, deformación del borde, ranurado y fractura mecánica. Estos modos comunes de falla se describen a continuación, junto con posibles soluciones sugeridas por Seco Tools.

Desgaste lateral
Todos los insertos se desgastan eventualmente, y este desgaste lateral “normal” es el modo de falla más deseable por ser predecible. El desgaste lateral normal puede esperarse en todos los materiales y un inserto falla debido al desgaste normal, si no falla antes por alguna otra cosa.

Sin embargo, el desgaste lateral rápido, aunque parece ser el mismo, sucede con mayor velocidad. Esto puede ocurrir cuando hay inclusiones duras de carburo o material endurecido por la operación en la pieza de trabajo que cortan el inserto, y, o, cuando pequeñas piezas del recubrimiento se desprenden y cortan el inserto. El cobalto se desgasta con el tiempo, sale de la matriz y cuando ya los granos de carburo no tienen suficiente adhesión, se desprenden. Las señales de un desgaste lateral rápido incluyen una abrasión relativamente uniforme a lo largo del filo de corte, una mancha sobre el filo de corte producida por el metal de la pieza de trabajo, y cuando la capa inferior del recubrimiento del inserto se muestra en la capa superior.

Acciones correctivas

  • Reducir las velocidades de corte
  • Usar un grado de carburo más resistente al desgaste, más duro o recubierto

Formación de cráteres
La formación de cráteres es causada por una combinación de difusión, descomposición y desgaste abrasivo. El calor de las virutas de la pieza de trabajo descompone los granos de carburo de tungsteno en el sustrato y el carbono se esparce en las virutas (difusión). Esto erosiona un cráter en la parte superior del inserto que, al final, puede crecer tanto que cause que el lado se convierta en viruta o se desgaste rápidamente. La formación de cráteres ocurre a menudo cuando se mecaniza hierro o aleaciones con base de titanio. Aun con cráteres no visibles, el rompimiento mejorado de la viruta puede indicar la presencia de este modo de falla.

Acciones correctivas

  • Usar un grado recubierto (preferiblemente un recubrimiento como TiAlN, el cual tiene capas gruesas de óxido de aluminio).
  • Seleccionar una geometría de corte más libre para reducir el calor.
  • Reducir las velocidades y los avances.

Formación en el borde (BUE)
La formación en el borde o BUE, por sus siglas en inglés, ocurre cuando el material de la pieza de trabajo se suelda por presión al filo de corte. Esto generalmente es el resultado de una afinidad química, alta presión y elevadas temperaturas en la zona de corte. Al final, el filo formado se desprende y se lleva piezas del inserto con él.

Este modo de falla se experimenta normalmente con materiales pegajosos, bajas velocidades, operaciones de roscado/taladrado, aleaciones de alta temperatura, acero inoxidable y materiales no ferrosos. Las señales de BUE incluyen material brillante en la parte superior o en el lado del borde del inserto y, o, cambios erráticos en el tamaño de parte o el acabado.

Acciones correctivas

  • Usar un recubrimiento de inserto, especialmente de nitruro.
  • Incrementar las velocidades y los avances.
  • eleccionar insertos con geometrías más agudas del filo de corte y, o, superficies más lisas.
  • Incrementar la concentración del refrigerante.

Formación de astillas
La formación de virutas se genera de la inestabilidad mecánica y, generalmente, es el resultado de la vibración en la pieza de trabajo o el husillo. Las inclusiones duras en la superficie del material que está siendo cortado y los cortes interrumpidos también pueden ocasionar concentraciones locales de esfuerzos que contribuyen a la formación de astillas. Por lo general, este fenómeno ocurre con materiales metálicos pulverizados y, o, alistamientos no rígidos ocasionados por rodamientos en mal estado, husillos desgastados u otros problemas.

Acciones correctivas

  • Asegurarse de que los alistamientos sean rígidos.
  • Minimizar la deflexión.
  • Seleccionar grados de insertos más tenaces y, o, geometrías del filo de corte más fuertes.
  • Reducir las tasas de avance.
  • Usar insertos afilados.
  • Implementar las mismas estrategias usadas para evitar la formación en el borde (arriba).

Falla mecánica térmica
Una combinación de ciclado térmico (cuando la temperatura del inserto cambia rápidamente), carga térmica (las diferencias de temperatura entre las zonas calientes y frías) e impacto mecánico, pueden causar falla mecánica térmica. Las grietas por esfuerzo que se forman a lo largo del filo del inserto ocasionan, finalmente, secciones de carburo para sacar y aparecer como viruta.

La presencia de múltiples grietas perpendiculares al filo de corte es una señal diciente de este modo de falla. Se experimenta con más frecuencia durante el fresado y el torneado con corte interrumpido, en operaciones con flujo intermitente de refrigerante o durante las operaciones de refrentado en un gran número de partes.

Acciones correctivas

  • Seleccionar grados de insertos más tenaces.
  • Reducir las velocidades y los avances.
  • Usar una geometría más libre de corte para reducir el calor.

Deformación del borde
Dos factores pueden contribuir a la deformación del borde. El primero es sobrecarga térmica, que ocurre cuando el calor excesivo hace que el adhesivo del carburo (cobalto) se suavice. El segundo, la sobrecarga mecánica, ocurre cuando la presión del inserto contra la pieza de trabajo causa que el inserto se deforme o se hunda en la punta. La deformación del borde es común con operaciones a altas temperaturas, elevadas velocidades y avances, y el uso de aceros duros, superficies endurecidas por el trabajo y aleaciones de alta temperatura.

Acciones correctivas

  • Reducir los avances y las velocidades.
  • Usar un inserto con un radio de nariz más grande.
  • Seleccionar un grado de carburo recubierto o uno más duro, un grado más resistente al desgaste con un contenido más bajo de cobalto.
  • Usar una geometría de corte más libre.

Ranurado
El ranurado es causado por diferencias en dureza o abrasividad en la pieza de trabajo. Esto ocurre generalmente con piezas de trabajo forjadas o fundidas, en las cuales la superficie es más dura o más abrasiva que el material más profundo en el corte. La concentración local de esfuerzos también puede causar ranurado. Como resultado de los esfuerzos de compresión a lo largo del filo de corte y la falta de esfuerzo detrás del mismo, los insertos pueden estar particularmente forzados en la línea de profundidad de corte. El impacto de cualquier clase puede crear una ranura. El ranurado es común en materiales con óxido en la superficie u oxidación, materiales endurecidos por el trabajo y superficies fundidas o irregulares.

Acciones correctivas

  • Reducir los avances.
  • Variar la profundidad de corte en pasadas múltiples.
  • Seleccionar una herramienta con un ángulo de avance más amplio, grados de inserto más tenaces o un rompeviruta diseñado para altas tasas de avance.
  • Incrementar la velocidad de corte si se mecaniza una aleación de alta temperatura (aunque esto puede incrementar el desgaste lateral).
  • Incrementar el afilado en el área de la profundidad de corte.
  • Prevenir la formación en el borde.
Fractura mecánica
El desgaste excesivo de cualquier tipo puede causar fractura mecánica o sobrecarga. Cuando la carga mecánica es lo suficientemente grande, el inserto se rompe durante los primeros momentos de un corte.

Acciones correctivas

  • Corregir todos los mecanismos de falla, además del desgaste lateral normal.
  • Reducir los avances y, o, las profundidades de corte.
  • Verificar la rigidez del alistamiento.
  • Usar insertos más gruesos.
  • Seleccionar insertos con grados más tenaces, filos de corte mejor asegurados y, o, geometrías de rompevirutas para altas tasas de avance.

© 2009. Modern Machine Shop. Derechos reservados.
© 2009. Metalmecanica Internacional. Derechos reservados sobre la versión en español.

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