Superando los límites con la cerámica

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.

“Aparte de hacer cosas diferentes con recubrimientos, geometría y preparación de bordes, hay muchas maneras de mezclar y combinar los materiales de carburo”, dijo. "La mayor parte del interesante desarrollo tecnológico se produce en el lado cerámico del negocio". Esto es tanto para herramientas de corte como para piezas. “Ya sea que se trate de ir súper rápido, enfrentar calor extremo o características de desgaste abrasivo, la cerámica está superando los límites en diversas aplicaciones. Las capacidades cerámicas actuales son increíbles y continúan mejorando”.

La cerámica sigue siendo una excelente solución para aleaciones de alta temperatura y materiales abrasivos, con la capacidad de alcanzar velocidades 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 de Iscar USA.

“Para el fresado, normalmente comienzo con alrededor de 3400 SFM, mido el desgaste de la plaquita y ajusto los parámetros en consecuencia”, explicó. "Para tornear, dependiendo de la capacidad de la máquina, tendrías 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 basándose en la experiencia con cerámica reforzada con bigotes, que es una tecnología que tiene décadas de antigüedad. En cambio, promocionó las nuevas cerámicas de silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno (SiAlON). "Se pueden 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 fui a una tienda, pedí especificaciones y coticé un SiAlON y me costó más que un bigote. No ha sucedido”.

La diferencia de precio puede ser fácilmente del 25-30%, añadió, citando el caso de una cerámica reforzada con bigotes que tiene una vida útil de siete minutos, frente a los seis minutos de la SiAlON. Pero, con un precio un 25% más bajo, eso equivale a un ahorro del 7% a favor de SiAlON. “Más de un año de uso 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 bigote. “Si tuviera una pieza con un corte interrumpido, como una forja con escama o cualquier tipo de corteza, utilizaría un SiAlON, en lugar de un bigote”.

Iscar ofrece SiAlON “resistentes” y versiones “duras”. Este último se anuncia como “parecido a un 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, “normalmente no se terminaría con SiAlON en aleaciones resistentes al calor, porque funcionan a una velocidad de avance más alta que excede el requisito de acabado superficial de la pieza. Así que tienes que usar cerámica reforzada con bigotes si quieres mantener la velocidad y el acabado”.

Dillaman añadió que muchas empresas aeroespaciales realizan pruebas sónicas en sus piezas de aleación resistentes al calor, comprobando si hay pequeñas imperfecciones en la superficie. Pero en todos los casos que conoce, “el acabado superficial que deja un SiAlON no pasará las pruebas sónicas, mientras que nuestras cerámicas reforzadas con bigotes WG300 y WG600 revestidas han sido aprobadas para estas pruebas. Así que definitivamente hay algunas áreas donde los bigotes no serán reemplazados por SiAlON”.

Greg Bronson, director de ventas de Greenleaf para América, dio más detalles. "Debido a que el borde de la cerámica de grado bigote se sostiene mejor, no se obtiene el mismo nivel de generación de calor y la mancha de material que podría hacer que las piezas no superen las pruebas de superficie adicionales".

La forma del chip GF1 de Greenleaf también contribuye al éxito final. La forma se muele en la parte superior del inserto, hasta el borde cortante, 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 bigotes, en comparación con las de 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 recubierto iría otro 20% más rápido, por lo que sería entre un 30% y un 40% más alto que un SiAlON. Y nuestro WG700 con nanorrevestimiento es otro 20% más rápido, por lo que estaría cerca del 50-60%. Se puede trabajar en Inconel con WG700 hasta 1500 SFM, y los SiAlON se van a derretir mucho antes de llegar a ese punto”, dijo Bronson, añadiendo que WG700 también sobresale en el corte interrumpido de Rene.

Aunque químicamente similar a 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 empresa puede “generalmente ejecutar velocidades de alimentación entre un 20 y un 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 última demanda de herramientas de corte de cerámica surge de la necesidad de limpiar las placas de construcción después de la impresión 3D de metal. Bronson enumeró el cromo cobalto para productos médicos, el Inconel 718 para el sector aeroespacial, el Haynes 282 para motores de cohetes, el Rene 220 para generación de energía y el Rene N2 como aleaciones difíciles con las que se le pide a la empresa que se ocupe. Estos materiales son difíciles de mecanizar cuando se forjan, y Bronson explicó que imprimirlos añade otro grado de dificultad porque el proceso de sinterización por láser deja incrustaciones entre las capas.

“Eso supera significativamente al carburo. Se producen muchas astillas y un desgaste excesivo. Entonces los clientes esperaban que la cerámica pudiera superar eso”.

Estas piezas impresas generalmente se cortan de la placa de construcción con electroerosión por hilo, dejando entre 0,200 y 0,300" (5,08-7,62 mm) de estructura de soporte para retirar, dijo Bronson. “Luego quieren limpiar la placa base para poder imprimir nuevamente. Entonces te quitarán 15 o 20 mil del plato”.

La primera incursión de Greenleaf fue retirar 31-35 HRC Haynes 282 impreso en una placa de acero inoxidable. Debido a la configuración de la pieza, la impresión requirió un conjunto muy variable de puertas, contrahuellas y estructuras de soporte, recordó Bronson. “Algunos de ellos eran gruesos, otros delgados. Algunos eran altos. Estaban por todos lados. Entonces, por naturaleza, fue muy interrumpido. Además, Haynes es muy abrasivo”.

Curiosamente, añadió, el material inoxidable más blando presentaba un desafío aún mayor para el carburo. Una vez que una herramienta diseñada para el material más resistente golpeara el acero inoxidable, fallaría. Probablemente se deba a que la gomosidad del acero inoxidable inhibió la formación de virutas. La solución de Greenleaf fue utilizar la cerámica XSYTIN-1 en una fresa frontal pequeña con inserciones RNG45. La fuerza de XSYTIN-1 permite al usuario "salir con la suya con una ventaja más nítida", dijo Bronson. "Esto le permite atravesar el material duro, pero no mancha el material más blando, gracias a la geometría más nítida".

Es más, cuando la naturaleza abrasiva del material había obligado al cliente a realizar cortes con profundidades muy reducidas, que ascendían a sólo 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 realizar cinco, seis o siete pasadas con carburo, podemos realizar dos o tres con cerámica y limpiar toda la placa", dijo Bronson. De hecho, en seis de estos proyectos en los que trabajó, el daño en los bordes generalmente requirió indexar la herramienta de carburo después de una sola pasada a través del material sinterizado por láser. Mientras que la cerámica “duró en cada paso 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 los insertos cerámicos pueden parecer increíbles y aun así cortar bien. La clave de esta capacidad, explicó Navarrete, es el estado del borde. “Estos insertos reciben tanto calor, especialmente si los secas, que parecen quemados. Pero la preparación del borde todavía está ahí. Puedes sacarlo y observar que está oscuro o carbonizado, pero una vez que empiezas a cortarlo nuevamente, se quema, casi se podría decir, como una parrilla de barbacoa. Una vez que se alcanza el umbral de temperatura de mecanizado, los residuos del 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 la 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 (TIC) relativamente corto y luego inspeccionar el borde. “Normalmente empiezo con tres minutos y medio como punto de partida. Una vez que encontramos un punto ideal donde todos se sientan cómodos, podemos ajustarlo en consecuencia agregando o disminuyendo el tiempo de inserción en el corte.

Queremos encontrar una TIC donde podamos indexar de forma segura cada vez y saber que no fallará. Como era de esperar, el fresado puede durar entre siete y diez minutos”.

Por supuesto, todo esto depende de tener la preparación adecuada de los bordes para empezar. "Para cortes de acabado en aleaciones de alta temperatura, especificaríamos un borde afilado", dijo Navarrete. Es el corte más gratuito. Para “corte intermedio, como semiacabado o semidesbaste, utilizaríamos un chaflán, al que llamamos superficie en T. Es un poco más fuerte. Si es puramente desbaste, con una gran cantidad de material desprendiéndose, o si vamos a mecanizar a escala o costra, optamos por lo que llamamos una preparación de borde TE. Eso es un chaflán y un pulido. Es un borde aún más fuerte, pero también significa más presión en la herramienta. Está destinado a recibir la paliza”.

Sin embargo, señaló, a menudo se exagera la fragilidad de la cerámica. "La cerámica puede recibir golpes, sólo hay que programarla y abordarla adecuadamente". En ese sentido, advirtió, cualquier cambio de herramientas de carburo a cerámica requiere reprogramar el corte. "No se debe conectar una herramienta de cerámica a 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, ofrece una idea del desafío que supone rectificar la geometría de corte final. Si bien la empresa se centra en herramientas de corte de carburo especializadas, Better Edge recientemente obtuvo un proyecto para rectificar una fresa de seis canales, de LOC corto y media pulgada de diámetro para un cliente aeroespacial. Las herramientas estaban desgastadas, por lo que Better Edge cortó la parte cortante y luego pulió una nueva geometría en el espacio en blanco restante.

A pesar de no tener experiencia previa con la cerámica, la empresa resolvió rápidamente las desviaciones necesarias de sus métodos de carburo. Sólo hubo dos problemas. El primero, explicó Brian Shaffer, vicepresidente de operaciones y calidad, fue el desgaste de las ruedas.

“Inicialmente, estábamos usando una rueda Toolgal con un aglutinante híbrido más duro y de alto rendimiento, RM644, nuestro aglutinante ideal cuando buscamos una vida útil más larga de la rueda para acanalado. Pero en el caso de las herramientas cerámicas estriadas, se desgastaba más rápido de lo que nos hubiera gustado”.

Para ayudar a resolver el problema, Better Edge se acercó a David Ginzburg, presidente de Toolgal USA Corp, con sede en Elberton, Georgia. Ginzburg aconsejó probar el nuevo bono híbrido de estrías RM769G. Esto podría haber parecido contradictorio, porque el RM769G es un vínculo más suave, pero en realidad funcionó mejor y brindó una vida útil más larga a las ruedas. Según Ginzburg, la diferente calidad del diamante del disco y la mejor retención del diamante de la unión permitieron un corte más libre y adecuado para la cerámica estriada. Los tiempos de ciclo eran un poco más lentos que los del carburo, aproximadamente media hora por herramienta, añadió Shaffer.

El segundo problema con el pulido de cerámica es que produce una viruta fina y lechosa que obstruye los filtros de refrigerante más rápido que el carburo. Better Edge solucionó este problema cambiando los filtros con más frecuencia, pero decidió que si continuaban moliendo cerámica tendrían que dedicar un filtro a esa aplicación.

Como se mencionó anteriormente, las cerámicas también pueden servir como piezas de desgaste u otros componentes que deben resistir condiciones difíciles. Greenleaf opera una división de “cerámica técnica” para tales aplicaciones y capacita a su personal de herramientas para estar atento. McConnell dijo que un ingeniero notó recientemente que un operador cambiaba las ruedas guía de carburo en el dispositivo de medición de un gran molino de torneado. Este medidor debe desplazarse continuamente a lo largo de una enorme superficie de acero, midiendo la redondez y el tamaño, por lo que se produce un desgaste significativo. Como solución, Greenleaf ofreció al cliente cerámicas que duran entre 10 y 15 veces más.

Como otro ejemplo, McConnell señaló los casquillos guía para la perforación de agujeros profundos. “En el pasado, se trataba de carburo o acero endurecido. Ahora los estamos haciendo de cerámica y duran 20 veces más. Así que las posibilidades son prácticamente ilimitadas”.

Si necesita un tercer ejemplo, no hay nada mejor que una línea que produce 2.000 latas de bebidas de aluminio por minuto. Según Jim Beavers, gerente de ventas de Danobat Group en Rolling Meadows, Illinois, el troquel que forma las paredes de la lata para aceptar la tapa se hacía tradicionalmente de carburo, "pero a lo largo de los años, descubrieron que el HIP (prensado isostático en caliente) ) la cerámica tiene una vida más larga porque tiene una mejor transferencia de calor y capacidad de desgaste”. La versión que Danobat ve con más frecuencia es el policristal de circonio tetragonal de itria (YZTP), que según Beavers “llega a 81 en la escala Rockwell y 1.300 en la Vickers. Sin duda es 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 del radio versus el ángulo donde se cruzan”, explicó Beavers. Se pone peor. “Los clientes solicitan que el diámetro interior de la máquina sea de hasta dos micropulgadas. Por eso tenemos que ofrecer un acabado pulido”.

Danobat supera estos desafíos con su máquina Overbeck IRD, equipada con un cabezal de rueda de cuatro husillos. Para rectificar la forma se requiere una interpolación de tres ejes (X, Z y B0), así como los cuatro husillos. Por ejemplo, para pulir el exterior del molde se requiere una rueda de diámetro exterior grande, mientras que ruedas de diámetro interno mucho más pequeñas se encargan del molde interno. Para obtener el acabado superficial requerido también es necesario utilizar múltiples abrasivos para el desbaste y el acabado, añadió Beavers.

"Muchas personas no aprecian lo ajustadas 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 logrado cumplirlos es mediante el uso de granito natural macizo como base de la máquina. Este controla, entre otras cosas, las posibles fluctuaciones de temperatura en una tienda. Overbeck también utiliza motores lineales, lo que supone 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 del refrigerante también debe estar al "nivel más alto", dijo. Entonces, además de un sistema estándar, la empresa agrega filtros de recipiente con una clasificación de hasta cinco micrones, además de enfriadores para mantener una temperatura constante.

Entonces ahí lo tienes. La cerámica ofrece soluciones excepcionales a los difíciles desafíos del mecanizado, y el desafío de mecanizar la cerámica en sí también se puede afrontar con la tecnología adecuada y la voluntad de superar los límites.

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