El desarrollo de la cerámica total Fresas Ha abierto nuevas perspectivas para el mecanizado de materiales de aleación a base de níquel. En comparación con las herramientas de metal duro, las herramientas totalmente cerámicas pueden aumentar la eficiencia del mecanizado ocho veces.
El progreso tecnológico y el desarrollo continuo en el campo de la ciencia de los materiales siguen promoviendo la capacidad y la eficiencia de mecanizar piezas de trabajo difíciles. El uso de aleaciones a base de níquel puede mejorar en gran medida la eficacia general de las turbinas de vapor. Las ruedas de cangilones de turbina de vapor monocristalinas hechas de aleaciones a base de níquel están equipadas con un complejo sistema de ranuras de refrigeración y una capa de aislamiento cerámico y se pueden utilizar en condiciones de temperatura de hasta 1450 °C. Estas propiedades mecánicas y de resistencia al calor únicas plantean grandes exigencias al mecanizado. Solo en el mecanizado de una unidad de propulsión a reacción se requieren alrededor de 3.000 insertos de indexación, mientras que, en cambio, solo se necesitan de media dos insertos de indexación para la fabricación de un automóvil.
Permitir velocidades de corte más altas
Las aleaciones a base de níquel tienen una alta resistencia al calor y una mala conductividad térmica, lo que puede provocar altas temperaturas en la superficie de corte. Esto hace que el material de corte se ablande. Debido a la presencia de carburos fácilmente abrasivos en su microestructura, la herramienta tiende a fallar en condiciones de temperatura y sobrecarga mecánica. Las herramientas de metal duro revestidas solo funcionan de manera estable a velocidades de corte inferiores a 20 m/min. Varias pruebas han demostrado que las velocidades de corte se pueden aumentar entre 30 y 50 veces al cortar con materiales cerámicos. El factor clave es la excelente resistencia al calor de la cerámica.
De este modo, durante el proceso de corte se puede elevar la temperatura hasta un nivel lo suficientemente alto como para ablandar el material de la pieza de trabajo y facilitar su corte. Esto permite la entrada en el campo de la tecnología de corte de alta velocidad (HSC). En el mercado ya se encuentran fresas que se adaptan a las plaquitas intercambiables de materiales cerámicos y que también se pueden utilizar para el mecanizado en bruto de ruedas de cangilones de turbinas. Sin embargo, por razones de diseño, el tamaño mínimo de la herramienta sigue siendo limitado. El diámetro de la herramienta comercial más pequeña es actualmente de 32 mm. Para tareas de mecanizado que requieren diámetros de herramienta más pequeños o contornos de corte complejos, además de herramientas de metal duro y herramientas HSS, también se pueden utilizar el rectificado y el corte por hilo.
Una comparación de las herramientas de metal duro recubiertas y sin recubrimiento disponibles habitualmente en el mercado con las herramientas cerámicas desarrolladas en términos de recorrido estándar y volumen de corte por unidad de tiempo muestra que la productividad se puede incrementar ocho veces utilizando fresas totalmente cerámicas.
El Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) de Berlín se ha centrado en la aplicación de las capacidades de corte de los materiales cerámicos modernos a estas aplicaciones. En 2006, en el marco del proyecto “Cercut” de Fraunhofer-Allianz High Performance Ceramics, se presentaron las primeras muestras de prueba de fresas cerámicas. Estas herramientas han dado buenos resultados en aplicaciones experimentales. En vista de la respuesta positiva de los fabricantes y usuarios de herramientas, el instituto conjunto seguirá impulsando el trabajo de desarrollo que ya se ha realizado.
Fomento del desarrollo de herramientas de corte totalmente cerámicas
En enero de 2008 se puso en marcha el proyecto “Tech-Volk”. Desde entonces, el equipo del proyecto ha trabajado intensamente en el desarrollo de fresas totalmente cerámicas con perfiles de corte adecuados para la aplicación. Dado que los distintos socios del proyecto tienen sus propios puntos fuertes y áreas de trabajo, todo el proceso puede considerarse de forma integral. Desde la producción de piezas de cerámica, la aplicación de estrategias de rectificado y el procesamiento de herramientas de rectificado hasta el corte de piezas específicas en modernos centros de mecanizado HSC, los materiales de las piezas de trabajo abarcan desde aleaciones de forja a base de níquel como Nimonic 90 hasta aleaciones de fundición como MAR M247.
Para poder adaptarse a las condiciones de carga del complejo proceso de fresado HSC, los materiales de corte deben cumplir ciertos requisitos especiales. Las interrupciones en el proceso de corte pueden provocar grandes cambios de carga y fluctuaciones de temperatura en el filo de corte. Durante ciertos intervalos de tiempo, el filo de corte puede no estar en estado de corte y la temperatura de la superficie del filo de corte se enfría más fácilmente que la temperatura dentro de la capa central. Debido a la diferencia en los estados de expansión térmica, se forman tensiones de tracción en la zona del filo de la herramienta, que pueden provocar fácilmente grietas.
Las cerámicas son más sensibles a las tensiones de tracción y, por lo tanto, son especialmente vulnerables a este mecanismo. El mecanizado en seco se hace necesario para este material de corte, ya que la lubricación por refrigeración aumentará el efecto de refrigeración de la herramienta y tendrá un impacto negativo adicional en el estado operativo de la herramienta. La composición interna y la estructura de Al2O3 y SiAlON reforzados con filamentos de carburo de silicio determinan que estos materiales tengan las características de prevenir la formación de grietas y aumentar la tenacidad a la fractura. Estos dos materiales cerámicos de corte ya se han comercializado como insertos de indexación y funcionan bien en uso.
El desarrollo posterior más prometedor es la producción de la denominada cerámica graduada. En este sentido, las características de resistencia de este material se pueden modificar de forma específica mediante un procesamiento posterior. Al igual que el acero mediante temple, la cerámica también se puede utilizar para fabricar cantos resistentes al desgaste y zonas del núcleo no resistentes a la rotura.
Antes de comenzar el proceso completo de desarrollo cerámico, se analizaron las características de uso de estos dos materiales cerámicos como insertos de indexación. Mientras tanto, también se estudió y evaluó la resistencia al desgaste de los materiales. Se puede lograr un análisis detallado del diseño de la herramienta mediante mediciones mecánicas en la pieza de trabajo combinadas con simulaciones FEM. Los conocimientos adquiridos en las pruebas prácticas se complementan con los límites de carga determinados numéricamente. Esto permite la identificación de condiciones de carga que son perjudiciales para las características de resistencia de la cerámica. Al mismo tiempo, se tienen en cuenta las diferentes características de autovibración de diferentes formas de herramienta. A través de ajustes específicos de herramientas y procesos, no solo se puede reducir significativamente el desgaste de la herramienta y aumentar la vida útil de la misma, sino que también se mejora significativamente la calidad geométrica de la superficie de la pieza de trabajo.
Para un instituto de investigación es fundamental contar con las condiciones únicas para fabricar herramientas en sus propias rectificadoras de alta precisión, medirlas posteriormente en equipos de medición de herramientas y probarlas en potentes centros de mecanizado HSC. Esto permite ciclos de desarrollo muy cortos y un conocimiento profundo del proceso.
