Superando los límites con la cerámica

Sep 28, 2023

El desarrollo de oportunidades innovadoras de calidad de carburo en el mecanizado está prácticamente agotado, según Bernie McConnell, vicepresidente ejecutivo comercial de Greenleaf Corp., Saegertown, Pensilvania.

"Además de hacer cosas diferentes con los revestimientos, la geometría y las preparaciones de filos, existen muchas formas de mezclar y fusionar los materiales de carburo", dijo. "La mayor parte del emocionante desarrollo tecnológico está viniendo del lado cerámico del negocio". Eso es tanto para herramientas de corte como para piezas. "Ya sea que esté hablando de ir súper rápido, enfrentar calor extremo o características de desgaste abrasivo, la cerámica está superando los límites en diversas aplicaciones. Las capacidades de la cerámica de hoy en día son increíbles y continúan mejorando".

La cerámica sigue siendo una excelente solución para aleaciones de alta temperatura y materiales abrasivos, con la capacidad de lograr índices sorprendentes. De hecho, las velocidades de fresado en aleaciones de alta temperatura oscilan entre 2800 y 4400 pies superficiales por minuto (SFM), según Robert Navarrete, especialista nacional de productos para tronzado, ranurado y torneado en Iscar USA.

"Para el fresado, normalmente empiezo con alrededor de 3400 SFM, mido el desgaste de la plaquita y ajusto los parámetros en consecuencia", explicó. "Para torneado, dependiendo de la capacidad de la máquina, estaría entre 600 y 1100 SFM en aleaciones de alta temperatura".

Pero esto no es nada nuevo. Navarrete señaló que varios talleres están familiarizados con estas capacidades en base a la experiencia con la cerámica reforzada con bigotes, que es una tecnología con décadas de antigüedad. En cambio, promocionó las cerámicas más nuevas de silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno (SiAlON). "Puede ejecutar los mismos parámetros similares a los de los bigotes a un costo menor, porque los SiAlON son más baratos de producir que los bigotes", dijo Navarrete. "Nunca entré en una tienda, especifiqué y cotice un SiAlON y me costó más que un bigote. No ha sucedido".

La diferencia de precio puede ser fácilmente del 25 al 30 %, agregó, citando el caso de una cerámica reforzada con filamentos que tiene una vida útil de la herramienta de siete minutos, frente a los seis minutos del SiAlON. Pero, con un precio un 25 % más bajo, se traduce en un ahorro del 7 % a favor del SiAlON. "Más de un año de uso, eso es un gran ahorro", afirmó Navarrete. "La cerámica no es barata".

Otra ventaja: los SiAlON son "mucho más indulgentes que un bigote", continuó y, como resultado, pueden funcionar a velocidades más bajas, sin la plastificación que normalmente se requiere para cortar la cerámica con bigotes. "Si tuviera una pieza con un corte interrumpido, como una pieza forjada con una escala o cualquier tipo de costra, ejecutaría un SiAlON, en lugar de un bigote".

Iscar ofrece SiAlON "resistentes" y versiones "duras". Este último se anuncia como "tipo bigote", porque imita la naturaleza dura y quebradiza de la cerámica reforzada con bigotes.

Mientras tanto, las cerámicas reforzadas con bigotes de rendimiento premium de Greenleaf continúan teniendo aplicaciones de valor agregado, debido a su mayor dureza en caliente y capacidades de velocidad de alimentación más amplias, según Martin Dillaman, gerente global de ingeniería y aplicaciones de la compañía. Por ejemplo, dijo, "por lo general, no terminaría con un SiAlON en aleaciones resistentes al calor, porque funcionan a una velocidad de avance más alta que excede el requisito de acabado superficial para la pieza. Por lo tanto, debe usar una cerámica reforzada con bigotes si quieres mantener la velocidad y terminar".

Dillaman añadió que muchas empresas aeroespaciales realizan pruebas sónicas en sus piezas de aleación resistentes al calor, comprobando si hay imperfecciones menores en la superficie. Pero en todos los casos que conoce, "el acabado de la superficie que deja un SiAlON no pasará la prueba sónica, mientras que nuestras cerámicas reforzadas con fibras WG300 y WG600 recubiertas han sido aprobadas para esta prueba. Por lo tanto, definitivamente hay algunas áreas en las que las fibras no pasan. para ser reemplazado por un SiAlON".

Greg Bronson, director de ventas de Greenleaf para las Américas, explicó. "Debido a que el borde de la cerámica de grado rugoso se sostiene mejor, no se obtiene el mismo nivel de generación de calor y el manchado del material que podría hacer que las piezas no pasaran las pruebas de superficie adicionales".

La forma de chip GF1 de Greenleaf también contribuye al éxito final. La forma se muele en la parte superior del inserto, hasta el borde de corte, y se ofrece en todos los grados de bigotes de Greenleaf. "Ayuda a reducir la presión de corte, lo que reduce la posibilidad de cualquier tipo de falla durante la inspección de calidad", dijo Dillaman.

En general, la mayor dureza en caliente de las cerámicas reforzadas con filamentos, en comparación con los SiAlON, permite que WG300 funcione en aleaciones resistentes al calor a velocidades entre un 10 y un 20 % más altas, pero a una velocidad de avance reducida, que se requiere para el acabado, según Bronson. "Nuestro WG600 revestido iría otro 20 % más rápido, por lo que estaría entre un 30 y un 40 % más alto que un SiAlON. Y nuestro WG700 con nano revestimiento es otro 20 % más rápido, por lo que estaría cerca de un 50-60 %. Puede ejecutar Inconel con WG700 hasta 1500 SFM, y los SiAlON se derretirán mucho antes de llegar a ese punto", dijo Bronson, y agregó que WG700 también sobresale en el corte interrumpido de Rene.

Si bien es químicamente similar a un SiAlON, la conocida cerámica XSYTIN-1 de Greenleaf es un nitruro de silicio endurecido en fase. "La forma en que se presiona hace que crezca una estructura cristalina dentro del material", explicó Bronson. Como resultado, dijo, la compañía puede "generalmente ejecutar tasas de alimentación 20-30% más altas con XSYTIN-1 que la mayoría de los SiAlON", aunque XSYTIN-1 tiene un límite de velocidad similar, porque los aglutinantes se descomponen a una temperatura similar.

La demanda más reciente de herramientas de corte de cerámica proviene de la necesidad de limpiar las placas de construcción después de la impresión 3D de metal. Bronson enumeró el cromo cobalto para productos médicos, Inconel 718 para la industria aeroespacial, Haynes 282 para motores de cohetes, Rene 220 para la generación de energía y Rene N2 como aleaciones difíciles con las que la empresa debe lidiar. Estos son materiales difíciles de mecanizar cuando se forjan, y Bronson explicó que imprimirlos agrega otro grado de dificultad porque el proceso de sinterización por láser deja escala entre las capas.

"Eso supera significativamente al carburo. Obtiene muchas astillas y un desgaste excesivo. Por lo tanto, los clientes esperaban que la cerámica pudiera superar eso".

Dichas piezas impresas generalmente se cortan de la placa de construcción con electroerosión por hilo, dejando 0.200-0.300" (5.08-7.62 mm) de estructura de soporte para quitar, dijo Bronson. "Luego quieren limpiar la placa base para poder imprimir nuevamente. Así que quitarán 15 o 20 mil del plato".

La primera incursión de Greenleaf fue eliminar 31-35 HRC Haynes 282 impreso en una placa de acero inoxidable. Debido a la configuración de la pieza, la impresión requería un conjunto muy variable de compuertas, elevadores y estructuras de soporte, recordó Bronson. "Algunos de ellos eran gruesos, otros delgados. Algunos eran altos. Estaban por todas partes. Entonces, por naturaleza, fue muy interrumpido. Además, Haynes es muy abrasivo".

Extrañamente, agregó, el material inoxidable más suave presentaba un desafío aún mayor para el carburo. Una vez que una herramienta diseñada para el material más resistente golpea el acero inoxidable, falla. Probablemente se deba a que la gomosidad del acero inoxidable inhibió la formación de astillas. La solución de Greenleaf fue utilizar la cerámica XSYTIN-1 en una pequeña fresa frontal con plaquitas RNG45. La fuerza de XSYTIN-1 le permite al usuario "salir con la suya con un borde más afilado", dijo Bronson. "Eso le permite atravesar el material duro, pero no mancha el material más blando, gracias a la geometría más afilada".

Es más, cuando la naturaleza abrasiva del material había obligado al cliente a realizar cortes con profundidades muy bajas, de solo 0,015" a 0,025" (0,38-0,635 mm), Greenleaf aumentó la profundidad de corte a entre 35 y 50 mil. "Y en lugar de tener que tomar cinco, seis o siete pasadas con carburo, podemos tomar dos o tres con cerámica y limpiar toda la placa", dijo Bronson. De hecho, en seis proyectos de este tipo en los que ha trabajado, el daño de los bordes generalmente requería indexar la herramienta de carburo después de una sola pasada a través del material sinterizado con láser. Mientras que la cerámica "soportó todas las pasadas que tuvimos que hacer", observó Bronson.

Un artículo de Manufacturing Engineering de 2021 sobre herramientas de carburo, "Una solución improbable pero poderosa", incluía el hecho curioso de que las inserciones de cerámica pueden verse horribles y aun así cortar bien. La clave de esta capacidad, explicó Navarrete, es la condición del borde. "Estos insertos arrojan tanto calor, especialmente si los está secando, que se ven quemados. Pero la preparación del borde todavía está allí. Puede sacarlo y observar que está oscuro o carbonizado, pero una vez que comienza a se corta de nuevo, se quema, casi se podría decir, como una parrilla de barbacoa. Una vez que se alcanza el umbral de temperatura de mecanizado, los residuos de material se calientan y se desprenden de la cerámica y la preparación de bordes se activa nuevamente".

En lugar de preocuparse por la apariencia engañosa del inserto o centrar su atención en el borde, Navarrete recomendó simplemente establecer un límite de tiempo. "La cerámica es muy sensible a los golpes, pero también predecible". Sugirió comenzar con un tiempo de corte programado relativamente corto (TIC) y luego inspeccionar el borde. "Por lo general, empiezo con tres minutos y medio como punto de referencia inicial. Una vez que encontramos un punto óptimo en el que todos se sienten cómodos, podemos ajustarlo en consecuencia agregando o disminuyendo el tiempo de inserción en el corte.

Queremos encontrar un TIC donde podamos indexar con seguridad cada vez y saber que no va a fallar. La molienda puede durar entre siete y 10 minutos, como era de esperar".

Por supuesto, todo esto depende de tener la preparación de borde adecuada para empezar. "Para los cortes de acabado en aleaciones de alta temperatura, especificaríamos un borde pulido", dijo Navarrete. Es el corte más libre. Para "cortes intermedios, como semiacabado o semidesbaste, usamos un chaflán, que llamamos T-land. Es un poco más fuerte. Si es puramente desbaste, con mucho material que se desprende, o vamos a mecanizar escala o corteza, vamos con lo que llamamos una preparación de borde TE. Eso es un chaflán y un afilado. Es un borde aún más fuerte, pero también significa más presión de la herramienta. Está destinado a soportar la paliza".

Sin embargo, señaló, a menudo se exagera la fragilidad de la cerámica. "La cerámica puede recibir una paliza, solo hay que programarla y abordarla correctamente". En ese sentido, advirtió, cualquier cambio de herramientas de carburo a cerámica requiere reprogramar el corte. "No debe enchufar una herramienta de cerámica en un programa de carburo".

Ni Greenleaf ni Iscar comparten los secretos de cómo se fabrican sus herramientas. Pero Better Edge, con sede en Scottsdale, Pensilvania, da una idea del desafío de rectificar la geometría de corte final. Si bien la compañía se enfoca en herramientas de corte de carburo especializadas, Better Edge obtuvo recientemente un proyecto para rectificar una fresa de extremo de seis flautas, LOC corto y media pulgada de diámetro para un cliente aeroespacial. Las herramientas se desgastaron, por lo que Better Edge cortó la parte de corte y luego molió una nueva geometría en el espacio en blanco restante.

A pesar de no tener experiencia previa con la cerámica, la empresa elaboró ​​rápidamente las desviaciones requeridas de sus métodos de carburo. Solo había dos problemas. El primero, explicó Brian Shaffer, vicepresidente de operaciones y calidad, fue el desgaste de las ruedas.

"Inicialmente, usábamos una rueda Toolgal con un aglomerante híbrido más duro y de alto rendimiento, RM644, nuestro aglomerante 'ir a' cuando buscábamos una vida útil más prolongada para el estriado. Pero en las herramientas cerámicas estriadas, se desgastaba más rápido de lo que lo haríamos hubiera gustado."

Para ayudar a resolver el problema, Better Edge contactó a David Ginzburg, quien es el presidente de Toolgal USA Corp., con sede en Elberton, Georgia. Ginzburg aconsejó probar el nuevo enlace híbrido acanalado RM769G. Eso podría haber parecido contradictorio, porque RM769G es un enlace más suave, pero en realidad funcionó mejor y brindó una vida útil más larga a la rueda. Según Ginzburg, la diferente calidad del diamante del disco y la mejor retención del diamante del aglomerante hacían que el corte fuera más libre y adecuado para la cerámica estriada. Los tiempos de ciclo fueron un poco más lentos que los de carburo, aproximadamente media hora por herramienta, agregó Shaffer.

El segundo problema con el pulido de cerámica es que produce virutas finas y lechosas que obstruyen los filtros de refrigerante más rápido que el carburo. Better Edge abordó este problema cambiando los filtros con más frecuencia, pero decidió que si iban a seguir moliendo cerámica, tendrían que dedicar un filtro a esa aplicación.

Como se mencionó anteriormente, la cerámica también puede servir como piezas de desgaste u otros componentes que deben sobrevivir a condiciones difíciles. Greenleaf opera una división de "cerámica técnica" para tales aplicaciones, y capacita a su personal de herramientas para mantener un ojo abierto. McConnell dijo que un ingeniero notó recientemente que un operador cambiaba las ruedas de guía de carburo en el dispositivo de medición por un gran tren de torneado. Este calibre debe moverse continuamente a lo largo de una enorme superficie de acero, midiendo la redondez y el tamaño, por lo que hay un desgaste significativo. Como solución, Greenleaf ofreció al cliente cerámicas que duran de 10 a 15 veces más.

Como otro ejemplo, McConnell señaló los casquillos guía para la perforación de pozos profundos. "En el pasado, estos habrían sido de carburo o de acero endurecido. Ahora los fabricamos con cerámica y duran 20 veces más. Por lo tanto, las posibilidades son casi ilimitadas".

Si necesita un tercer ejemplo, no hay nada mejor que una línea que produzca 2000 latas de bebidas de aluminio por minuto. Según Jim Beavers, gerente de ventas del Grupo Danobat en Rolling Meadows, Illinois, el troquel de cuello que forma las paredes de la lata para aceptar la tapa estaba hecho tradicionalmente de carburo, "pero a lo largo de los años, descubrieron que HIP (prensado isostático en caliente ) la cerámica tiene una vida más larga, porque tienen una mejor transferencia de calor y capacidad de desgaste". La versión que Danobat ve con mayor frecuencia es el policristal de zirconia tetragonal de itria (YZTP), que según Beavers "llegó a 81 en la escala de Rockwell y 1300 en la de Vickers. Sin duda, un material desafiante".

Eso no es todo. El dado tiene una forma bastante compleja, por dentro y por fuera, además de una ranura. "La tolerancia del perfil es de dos décimas. Y el otro aspecto importante es la tangencia entre el radio y el ángulo donde se cruzan", explicó Beavers. Se pone peor. "Los clientes solicitan que el diámetro interno de la máquina sea de dos micropulgadas. Por lo tanto, debemos entregar un acabado pulido".

Danobat supera estos retos con su máquina Overbeck IRD, equipada con un cabezal de rueda de cuatro husillos. Esmerilar la forma requiere interpolación de tres ejes (X, Z y B0), así como los cuatro husillos. Por ejemplo, esmerilar el exterior de la forma requiere una rueda de diámetro exterior grande, mientras que las ruedas de diámetro interno mucho más pequeñas se encargan de la forma interior. Obtener el acabado superficial requerido también requiere el uso de múltiples abrasivos para el desbaste y el acabado, agregó Beavers.

"Mucha gente no se da cuenta de lo estrictas que son las tolerancias dimensionales y de forma en estas piezas", observó Daniel Rey, presidente del distribuidor de Danobat, Rey Technologies, St. Charles, Illinois. "Y una de las razones por las que Overbeck ha tenido éxito en cumplir con ellos es mediante el uso de granito natural sólido como base de la máquina. Entre otras cosas, esto gestiona las fluctuaciones de temperatura en un taller. Overbeck también utiliza motores lineales, que es otra ventaja sobre algunos de los competidores ."

Además, Beavers de Danobat dijo que prestar la "máxima atención" a la estabilidad térmica de la máquina significa incorporar refrigeración líquida en los cabezales de trabajo. La filtración de refrigerante también debe estar en "el nivel más alto", dijo. Por lo tanto, además de un sistema estándar, la compañía agrega filtros de cartucho con una clasificación de hasta cinco micrones, además de enfriadores para mantener una temperatura constante.

Ahí lo tienes. La cerámica ofrece soluciones sobresalientes para los desafíos de mecanizado difíciles, y el desafío de mecanizar la cerámica en sí también se puede enfrentar con la tecnología adecuada y la voluntad de superar los límites.

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