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1. Introducción
A partir del desarrollo acelerado de los materiales de ingeniería y su utilización intensiva en la industria aeronáutica, espacial y biomédica en los últimos años, se identifican numerosas investigaciones relacionadas con el estudio de la maquinabilidad y demás variables de interés. En el caso de las aleaciones termorresistentes, se observa una tendencia a su utilización cada vez más creciente en la industria, que ha generado el desarrollo de nuevos materiales para herramientas de corte, como es el caso de las herramientas de corte cerámicas BIDEMICS.
Autores como Tezuka, et al [1] propusieron un método para la evaluación de la adherencia en el corte. Realizaron el torneado de un acero al carbono, una aleación de titanio y una aleación súper resistente al calor a base de níquel. Los componentes dinámicos de la fuerza de corte se midieron con un dinamómetro piezoeléctrico. La tendencia a la adhesión la valoraron a través de un índice definido entre un acero al carbono S45C, una aleación de titanio Ti-6Al-4V y una aleación súper resistente al calor a base de níquel Inconel718, lo que arrojó un buen resultado con las reglas empíricas. Los autores no utilizaron herramientas cerámicas.
Por su parte, Manohar, et al [2] sometieron la aleación de Inconel 718 a experimentos de torneado. Los datos experimentales recopilados se utilizaron para construir modelos empíricos, cuyo rendimiento se evaluó mediante un enfoque estadístico. Se estableció que los modelos desarrollados podrían usarse para predecir los parámetros de salida para un conjunto de parámetros de entrada a través de gráficos 2-D (superficie) y 3-D (contorno). Los autores analizaron las variables de fuerzas de corte y la rugosidad superficial, pero utilizaron como herramientas de corte un carburo de tungsteno de grano fino con recubrimiento CVD, no utilizando herramientas cerámicas.
A su vez, Tan, et al [3] analizaron el mecanismo de desgaste en dos herramientas cerámicas, al maquinar la aleación Ti-6Al-4V. Como resultado, se obtuvo que el mecanismo de desgaste principal fue el adhesivo, aunque también se observó el astillado en una de las herramientas. La alta resistencia al desgaste de las herramientas de corte TiB2-B4C se atribuye a una mayor resistencia térmica, mayor dureza y menor afinidad química con el titanio en comparación con los carburos de tungsteno, lo que los convierte en materiales muy prometedores para el mecanizado de alta velocidad de aleaciones de titanio. Los autores estudiaron el desgaste de la herramienta, pero no analizaron las fuerzas de corte y las herramientas de corte cerámicas no son del tipo BIDEMICS.
Por otro lado, Parenti, et al [4] realizaron el mecanizado del Hastelloy C276 bajo diversas condiciones de mecanizado (velocidad, avance y profundidad) y ambientes (seco y criogénico). Se investigó la maquinabilidad del Hastelloy C276 a través de las fuerzas de maquinado, la temperatura, la rugosidad superficial y la dureza bajo diferentes condiciones de corte. Los experimentos de torneado que resultaron de utilizar el lubricante LN2 redujeron drásticamente la temperatura hasta en un 40 %. Las fuerzas de mecanizado fueron mínimas bajo el mecanizado criogénico debido a su propiedad de lubricación efectiva. Pero no se observó una diferencia significativa en el desgaste para ambos tipos de mecanizado. La maquinabilidad del Hastelloy C276 mejoró significativamente cuando se usó LN2 como fluido de corte. En la investigación, los autores utilizaron insertos del tipo CNMG 120408 (no cerámicos) y analizaron las diferentes componentes de las fuerzas de corte y la rugosidad superficial.
Al mismo tiempo, Parenti, et al [5] investigaron el proceso de corte y el desgaste de una fresa cerámica de vástago de ø12 mm AbstractSolid fabricada con SiAlON, para el fresado de Inconel 718. Se estudiaron los mecanismos de desgaste, al igual que sus efectos en las fuerzas y potencia de corte, medidos a través de sensores integrados al CNC. El experimento permitió determinar que el atascamiento de la herramienta y el astillado de los filos fueron los principales fenómenos de corte que provocaban el desgaste de la herramienta. Al mismo tiempo, se encontró que la velocidad de corte aumenta la potencia de corte más en el fresado ascendente que en el fresado descendente. Si bien el estudio se refiere a las fuerzas de corte y la rugosidad superficial con una herramienta cerámica, se realizó en el proceso tecnológico de fresado, no incluye el torneado. Ma et al. [6] desarrollaron un trabajo de investigación similar.
Entretanto, Yu, et al [7] en su estudio utilizaron herramientas de cerámica para tornear una super aleación a base de níquel (GH4169). Analizaron la fuerza de corte y los patrones de desgaste. Los resultados demostraron que la fuerza de impacto es mayor que la fuerza de corte promedio. Las fracturas, el astillado y la adhesión son las principales características de desgaste de las herramientas de cerámica de este tipo. Además, demostraron que el desgaste adhesivo, abrasivo y por difusión es el principal mecanismo de desgaste. Los autores no utilizaron herramientas cerámicas del tipo BIDEMICS.
Adicionalmente, Jadhav y Mohanty [8] propusieron una investigación experimental y la optimización de los parámetros del proceso de torneado criogénico de la superaleación Nimonic C-263 con un inserto CVD multicapa. Se estudió la rugosidad de la superficie, el desgaste de la punta y las fuerzas de corte en un entorno de mecanizado híbrido criogénico. Se determinó que el avance es el parámetro que más influye en el análisis de varianza (ANOVA). El estudio no utilizó herramientas de corte cerámicas.
Recientemente, del Risco-Alfonso, et al [9] realizaron un estudio de los mecanismos de desgaste en el mecanizado del acero AISI 316L con una herramienta cerámica BIDEMICS. Los autores se centraron en identificar la dependencia entre la fuerza de corte principal, la velocidad inicial de desgaste de la herramienta, la rugosidad superficial y los parámetros del régimen de corte. En base a estas dependencias, se propuso un modelo de optimización multiobjetivo para minimizar la energía consumida y la tasa de desgaste inicial, así como maximizar la productividad, manteniendo los valores de rugosidad superficial por debajo de los establecidos por la norma ISO 5832-1. No se refieren al estudio comparativo de las fuerzas de corte en el mecanizado de varios aceros termorresistentes.
Del análisis anterior se aprecia que aunque se han desarrollado investigaciones relacionadas con el análisis de las fuerzas de corte en el mecanizado de piezas termorresistentes con herramientas cerámicas y no cerámicas, aún se requieren de estudios donde se caracterice el comportamiento de las fuerzas de corte cuando se mecanizan estos materiales, utilizando las herramientas BIDEMICS.
El objetivo del presente trabajo es analizar el comportamiento de la fuerza de corte principal al mecanizar dos aleaciones termorresistentes de AISI 316L y Ti-6Al-7Nb, ambas mecanizadas con una herramienta cerámica BIDEMICS. Se utilizó un torno CNC de alta velocidad, un dinamómetro para medir las fuerzas de corte Kistler y un diseño factorial completo para los experimentos. Se demostró el comportamiento favorable de la herramienta de corte cerámica BIDEMICS para maquinar este tipo de aleaciones en cuanto a las fuerzas de corte que se generan en el proceso de corte.
2. Métodos y Materiales
El estudio experimental se basó en una operación de cilindrado exterior, utilizando como máquina herramienta un torno CNC HAAS-ST 10 (HAAS Automation Europe) con una capacidad máxima de 356 X 406 mm, 11,2 kW de potencia y 6 000 rpm en el husillo. El desgaste de la herramienta de corte se midió con la ayuda de un microscopio de barrido electrónico EVO MA 25 de Zeiss (Zeiss). Las fuerzas de corte fueron medidas con un dinamómetro KISTLER (Kistler Instrument Corp.).
El maquinado se realizó en primer lugar sobre una barra de 25 mm de diámetro, de la aleación Ti-6Al-7Nb y en segundo lugar sobre una barra, también de 25 mm de diámetro de acero inoxidable austenítico AISI 316L (ver Fig. 1). A cada probeta se le midió la dureza en cinco puntos diferentes de la periferia, a 20 mm de separación y en cinco puntos en el núcleo. Una en el centro y las restantes cuatro en una circunferencia de 22 mm de diámetro. Para la medición de la dureza fue utilizado un Durómetro Wilson Rockwell. Los valores obtenidos fueron de 47,8 HRC para las barras de Ti-6Al-7Nb y 149 HB para la de acero AISI 316L.
La herramienta de corte utilizada fue un inserto redondo BIDEMICS RNGN 120700E004 JX1 de la familia de las cerámicas (NTK Cutting Tool de Japón), sin recubrimiento, de 12,7 mm de diámetro y 7,94 mm de espesor, especialmente diseñada para el mecanizado de aleaciones termorresistentes, montada en un portainserto Kennametal DRGNR-164D-KC3 NA4 con fijación superior mediante brida y tornillo. A cada herramienta se le realizó una inspección visual del filo con la ayuda del microscopio Olympus SZH, con el fin de verificar su integridad. La dureza se midió en cinco puntos como se muestra en la figura 2 y su valor promedio fue de 94 HRA. En la tabla 1 se muestra la composición química.
Tabla 1 Composición química de la herramienta de corte BIDEMICS JX1. Fuente: autores
| Tungsteno % | Oxígeno % | Aluminio % | Carbono % | Zirconio % | |
| Parte externa | 55,23 | 18,78 | 16,12 | 6,4 | 3,45 |
| Parte interna | 56,22 | 17,94 | 17,33 | 4,92 | 3,57 |
La investigación consistió en determinar el comportamiento de la herramienta de corte, desde el punto de vista de las fuerzas de corte al maquinar dos aleaciones diferentes consideradas de mala maquinabilidad (operación de torneado de una aleación de Ti-6Al-7Nb y de un acero AISI 316L). Los parámetros de corte utilizados se determinaron en base a los criterios ofrecidos por el fabricante de la herramienta de corte y a los objetivos de la investigación. Para el caso del maquinado de la aleación de Ti-6Al-7Nb, la velocidad de corte se varió en tres niveles 130 m/min, 200 m/min y 270 m/min, el avance y la profundidad se mantuvieron constantes e igual a 0,2 mm/rev y 1 mm respectivamente. Para el caso del acero AISI 316L se varió la velocidad de corte y el avance en tres niveles; los valores de velocidad de corte fueron 200 m/min, 300 m/min y 400 m/min; el avance 0,1 mm/r, 0,15 mm/r y 0,2 mm/r mientras que la profundidad de corte permaneció constante e igual a 0,5 mm. No se utilizaron lubricantes en el proceso de mecanizado.
3. Resultados y Discusión
Durante el maquinado del acero AISI 316L se pudo apreciar una estabilidad en el comportamiento de la fuerza de corte en el tiempo, como se aprecia en la figura 3a, para todas las velocidades de corte estudiadas.
Para el caso de la aleación Ti-6Al-7Nb se puede apreciar una estabilidad para la menor velocidad de corte (130 m/min), no siendo así para las otras dos velocidades donde se aprecia una elevada variabilidad en el tiempo, figura 3b, lo cual puede estar provocado por la aparición del fenómeno de Chatter, si se tiene en cuenta que con la aparición de las fluctuaciones de la fuerza, se observó un deterioro de la rugosidad superficial para las velocidades de 200 m/min y 270 m/min. Los valores de fuerza obtenidos para la velocidad de corte de 200 m/min, son ligeramente superior para el maquinado de la aleación Ti-6Al-7Nb y en la misma se aprecia también una mayor variación en el tiempo, lo cual demuestra que la aleación Ti-6Al-7Nb tiene un peor comportamiento que el acero AISI 316L desde el punto de vista del comportamiento de la fuerza de corte principal.
Conclusiones
Durante el maquinado de la aleación Ti-6Al-7Nb se apreció una variación de la fuerza de corte para las velocidades de 200 m/min y 270 m/min, no siendo así para la velocidad de 130 m/min. En el caso del maquinado del acero AISI 316L, se observó una estabilidad en el patrón de la fuerza para todas las velocidades estudiadas.
Se observó una coincidencia en la aparición de las fluctuaciones de la fuerzas durante el maquinado de la aleación Ti-6Al-7Nb. Para las velocidades de 200 m/min y 270 m/min, se puede asociar a la aparición del fenómeno de chatter. Esto se justifica con la aparición del deterioro sufrido en la rugosidad superficial para estos valores de velocidad de corte.
