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May 31, 2023

Herramientas de carburo: sólidas como una roca

Los maquinistas jubilados que lean esto podrían recordar los pedazos afilados a mano de

Los maquinistas jubilados que lean esto podrían recordar las piezas de carburo Carboloy 883 afiladas a mano que yacen polvorientas y sucias en la parte posterior de sus cajas de herramientas. En comparación con las brocas para herramientas de acero de alta velocidad con las que se aprendieron estos antiguos operadores de Cincinnati Milacron y Davenport, la adopción generalizada del carburo de tungsteno en el pasado significó avances y velocidades más rápidos, una vida útil más larga de la herramienta, una mayor calidad de las piezas y una pila más grande de piezas. en el banco al final de cada turno.

Los tiempos han cambiado, al igual que el carburo, mejor conocido como carburo de tungsteno o, a veces, carburo cementado. No exploraremos su larga historia aquí, excepto para decir que se acerca el centenario del más importante de todos los materiales para herramientas de corte y, como ocurre con todos los centenarios, nos corresponde evaluar si es hora de convertir a este veterano del taller mecánico en pasto. .

Au contraire, dijo una gran cantidad de fabricantes de herramientas de corte; cada uno de los proveedores entrevistados para este artículo está totalmente de acuerdo en que el carburo tiene una vida larga y productiva por delante.

"El uso de carburo sólido está creciendo y creciendo enormemente", dijo Thomas Raun, director técnico de Iscar USA, Arlington, Texas. "Por supuesto, los sistemas indexables e intercambiables disfrutan de una gran parte del pastel, pero todavía hay una gran cantidad de aplicaciones en las que no se puede reemplazar una fresa de extremo o un taladro de carburo sólido".

La tecnología de sustratos y recubrimientos continúa avanzando, lo que permite herramientas cada vez más capaces que mejorarán significativamente la eficiencia y la rentabilidad para la industria del mecanizado. Eso es según Sarang Garud, gerente de producto de Walter USA LLC, Waukesha, Wis. "Dicho esto, esperamos ver más aluminio utilizado en la industria automotriz y otras industrias, por lo que el diamante policristalino (PCD) también crecerá bastante, aunque el carburo seguirá siendo el número uno".

Y Steve Lind, vicepresidente de herramientas redondas sólidas para las Américas en Sandvik Coromant, Mebane, NC, dijo que su compañía espera ver un crecimiento continuo en el mercado de metal duro integral en el futuro previsible. "Atribuyo gran parte de esto a las mayores capacidades de diseño de los fabricantes de herramientas de corte, junto con equipos de rectificado más avanzados. El resultado es una amplia selección de productos que permiten a la industria aprovechar al máximo la sofisticada tecnología de mecanizado actual".

Eso es solo una muestra del entusiasmo general por las herramientas de corte de carburo sólido y las ganancias de productividad que aportan. A pesar de la competencia, los expertos de Kennametal, Ingersoll Cutting Tools, Horn USA, Ceratizit y Scientific Cutting Tools coincidieron en que el uso de carburo seguirá prosperando durante la próxima década y más allá.

Pero como aludió Walter's Garud, ¿qué pasa con las herramientas de corte avanzadas hechas de PCD y nitruro de boro cúbico (CBN)? ¿Y qué pasó con todo el alboroto sobre las fresas de cerámica sólida, con fotografías de revistas brillantes que mostraban llamas saliendo de piezas de trabajo de Inconel que parecían presagiar una perdición segura para el carburo, al menos en lo que respecta al fresado de superaleaciones? ¿Seguramente el carburo no puede competir con estos materiales para herramientas de corte ultraduros y resistentes a la abrasión?

"La cerámica sólida se puede usar en lugar del carburo sólido en algunas aplicaciones, especialmente para el desbaste", dijo Danny Davis, ingeniero sénior de personal de Kennametal Inc. con sede en Pittsburgh. "Sin embargo, el carburo aún se suele necesitar junto con la cerámica para completar muchas piezas Además, la cerámica requiere velocidades superficiales muy altas para plastificar el material correctamente y hacer que las herramientas funcionen como deberían. No todos los centros de mecanizado tienen las rpm de husillo necesarias, ni la rigidez. Esa ecuación cambiará a medida que nosotros y otros proveedores introduzcamos el extremo cerámico fresa en diámetros más grandes y desarrolla cerámicas capaces de hacer frente a parámetros operativos menos estrictos. Aun así, no siempre es la solución perfecta".

Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, es otro fabricante de herramientas de corte activo en el campo del fresado de cerámica. Y aunque el Dr. Uwe Schleinkofer, director de investigación y desarrollo del Grupo Ceratizit, estuvo de acuerdo en que el desarrollo de la cerámica está en curso, no lo ve como un desafío para las herramientas de corte de metal duro integral en el corto plazo. "La cerámica tiene un lugar y, a menudo, es la mejor solución en condiciones secas y velocidades de husillo aceleradas, pero su uso en el futuro seguirá estando en estas aplicaciones de nicho".

En cuanto a las herramientas de PCD, Todd White, director de ventas de Scientific Cutting Tools (SCT) Inc., Simi Valley, California, se hizo eco de lo que otros dijeron aquí: Con los fabricantes de automóviles y especialmente la industria aeroespacial cambiando más materiales a compuestos, los fabricantes de herramientas de corte deben esperar aumento de la demanda de productos de PCD, así como de herramientas de carburo sólido con recubrimientos especiales tipo diamante (DLC) para ayudar a cortarlos.

"Las piezas de trabajo de fibra de carbono y aluminio continúan siendo más frecuentes", dijo Ed Woksa, director de gestión y marketing de productos de Ingersoll Cutting Tools Inc., Rockford, Illinois. "Debido a esto, las herramientas de PCD y DLC continuarán reemplazando las fresas y brocas de metal duro integral en algunas aplicaciones de compuestos y no ferrosos, particularmente en la producción de alto volumen. Como sabe cualquiera que lo haya usado, el PCD permite velocidades de corte significativamente más altas en comparación con las herramientas sólidas". metal duro, lo que lleva a una mayor productividad. Esto es especialmente importante en los equipos CNC modernos, donde los husillos más rápidos y la tecnología de software de anticipación permiten un mayor rendimiento. Cuando se aplican correctamente, las herramientas PCD también brindan una vida útil mucho más prolongada en estos materiales, brindando muchas oportunidades para luces -fuera de la fabricación".

Los expertos en herramientas de Sandvik Coromant también lo creen. "Donde la cerámica y otros materiales avanzados están diseñados para funcionar bien, por lo general lo hacen", dijo Lind. "A menudo, se utilizan junto con herramientas de metal duro integral para desbaste. En ambos casos, apunta al uso cada vez mayor en la industria de más herramientas de corte específicas para materiales y aplicaciones. Esto es particularmente cierto para las superaleaciones resistentes al calor. (HRSA), pero también en compuestos y para aplicaciones de alto volumen donde la vida útil constante de la herramienta y el costo por pieza son críticos".

Al igual que sus compañeros, Davis de Kennametal cree que las herramientas de corte específicas para materiales tienen sentido. Sí, las herramientas de uso general o las denominadas "GP" tienen su lugar, en particular para los talleres y otros que mecanizan diversos materiales y geometrías de piezas de trabajo. Sin embargo, son las herramientas adaptadas a una aplicación específica las que a menudo proporcionan el mayor retorno de la inversión.

"Las herramientas de alto rendimiento significan menos cambios de herramienta, una vida útil más prolongada, tiempos de ciclo más rápidos y procesos más predecibles", dijo Davis. "Cuando se suma todo, el costo ligeramente más alto de una de estas herramientas es muy fácil de justificar. Y, contrariamente a lo que muchos podrían pensar, las herramientas de corte representan una fracción tan pequeña del costo total de fabricación de una pieza que sería una pena no maximizar el rendimiento de una máquina herramienta CNC tanto como sea posible mediante el uso de las herramientas adecuadas".

White, Lind y Davis señalaron que gran parte de esta demanda de PCD y otras herramientas de corte para materiales específicos provendrá del mercado automotriz, donde la producción de vehículos eléctricos (EV) seguirá aumentando a medida que el mundo se aleja de los motores de combustión interna (ICE). . Duane Drape, gerente nacional de ventas de Horn USA, Inc., Franklin, Tenn., ve la misma tendencia, aunque moderó sus comentarios al afirmar que los híbridos de gasolina y electricidad probablemente sirvan como puente para los vehículos eléctricos.

"Los vehículos eléctricos de hecho están comenzando a tener un efecto en la cantidad total de carburo que usan los fabricantes de automóviles", dijo. "Sin embargo, los vehículos eléctricos siguen siendo una porción muy pequeña del mercado, y creo que probablemente estemos a dos décadas de que obtengan una participación significativa. Hasta entonces, la necesidad de producir ICE, híbridos y vehículos eléctricos al mismo tiempo probablemente aumentará la demanda de herramientas de corte de todo tipo".

Sin embargo, cuando el cambio entre en pleno efecto, la disminución podría ser dramática. Drape y otros explicaron que, mientras que un motor de gasolina típico puede contener de 120 a 140 componentes y requiere de 30 a 40 herramientas de carburo únicas para mecanizar, un EV reduce ambos en quizás un 80 por ciento o más. Y si bien esa es una cifra grande, "el mayor impacto en el uso de carburo vendrá de las transmisiones", dijo. "Estos contienen muchas más piezas que probablemente serán innecesarias a medida que los fabricantes de automóviles hagan la transición a los vehículos eléctricos. En comparación, los motores son papas pequeñas".

Schleinkofer del Grupo Ceratizit apoyó esto, citando estudios de Europa que compararon la cantidad de componentes de un motor de tren motriz tradicional con uno completamente eléctrico para determinar el volumen y la cantidad de materiales de la máquina. "Los resultados mostraron que, para los vehículos con tren motriz eléctrico, hubo un 70 por ciento menos de mecanizado en comparación con los automóviles tradicionales", dijo. "Esto afectará significativamente a la industria del corte de metales".

Sin embargo, Walter Tools sugirió que el mayor porcentaje de componentes de aluminio de un EV también ejerce presión sobre el hierro fundido, el favorito de la industria automotriz desde hace mucho tiempo. Irónicamente, esta tendencia reducirá el consumo de herramientas cerámicas y especialmente CBN de este sector, el último de los cuales puede soportar velocidades de corte mucho más altas en hierro fundido y aceros templados, y por lo tanto ha ganado cuota de mercado en los últimos años. Una vez más, se espera que el carburo salga victorioso.

"El carburo tiene una combinación única de dureza y tenacidad que es difícil de igualar en otros materiales para herramientas de corte", dijo Garud. "Cuando se combina con los recubrimientos avanzados que tenemos actualmente y que seguiremos desarrollando, ofrece una gama de aplicaciones muy amplia que no se puede igualar".

Aparte de cambiar la tecnología automotriz, también están en juego otros factores. El gerente de ingeniería de diseño de herramientas de corte de Ingersoll, Dennis Roepsch, señaló las mejoras en el moldeo por inyección de plástico, la fabricación aditiva y la tecnología de fundición de inversión, y señaló que "algunos componentes de la pieza de trabajo ya no requieren mecanizado o tienen requisitos mínimos de mecanizado. Por ejemplo, los colectores de admisión de aluminio a menudo se reemplazan por plásticos compuestos moldeados. Además, las piezas de trabajo de forma casi neta reducen la cantidad de material que debe desbastarse, lo que reduce aún más el uso de carburo".

La mayoría de los expertos aquí mencionaron un corolario similar en el espacio de fabricación aditiva. Aquí, las piezas impresas en 3D emergen del tanque de resina o de la cámara de construcción no del todo completas. Las superficies críticas se deben mecanizar, los orificios escariados o taladrados, e incluso las características de tolerancia relativamente abiertas se deben especificar. Debido al valor relativamente alto de estas piezas, algunas de las cuales tardan horas o días en imprimirse, es probable que las herramientas de corte de carburo sean la solución preferida para acabarlas.

"Además, cualquier pieza impresa en 3D que necesite una rosca probablemente requerirá un viaje al centro de mecanizado o al torno", dijo White de la SCT. "Desde mi punto de vista, la forma más rentable de lograr esto, especialmente dadas las menores cantidades de producción asociadas con la impresión 3D, es con una fresa de roscas de carburo sólido".

Eso es cierto para las piezas hechas tanto de metal como de polímero, pero Raun de Iscar dijo que las primeras presentarán el mayor desafío para los fabricantes de herramientas de corte. "Las tecnologías aditivas, como el lecho de polvo metálico y el chorro de aglutinante, aumentan el potencial de aleaciones completamente nuevas, que son más fuertes y más resistentes al desgaste que los metales existentes. He oído hablar de tungsteno mezclado con aluminio, por ejemplo, que imagino que ser bastante difícil de mecanizar. A medida que más y más de estos materiales híbridos entren en línea, las empresas de herramientas de corte tendrán que pagar impuestos para encontrar soluciones capaces de mecanizar productivamente esos materiales".

Es Drape at Horn quien tal vez resuma mejor la situación, afirmando que "la impresión 3D eventualmente les quitará algunos negocios a los talleres mecánicos y a los fabricantes de herramientas de corte, pero hasta que pueda brindar una mayor precisión y calidad de superficie, aún necesitará herramientas de metal duro integral para el trabajo de acabado".

La conclusión es clara: aunque la impresión 3D podría lograr lo que muchos en la industria han temido desde su inicio hace más de tres décadas, es decir, una menor demanda de fabricación tradicional, es más probable que la adición y la sustracción se complementen entre sí.

Según Garud en Walter Tools, los dos probablemente también se necesitarán de otras maneras. Al igual que con todas las nuevas tecnologías, sugirió que puede ser difícil ver el universo de posibilidades y efectos que tendrá la impresión 3D en las herramientas de carburo sólido a largo plazo. Y, sin embargo, el aditivo ya ha adquirido la capacidad de imprimir componentes de titanio e Inconel para la industria aeroespacial y otras, y lo ha hecho mucho más rápido de lo que la mayoría hubiera esperado. Las herramientas de corte impresas parecen una posibilidad.

"Si se puede hacer, el carburo impreso en 3D abrirá nuevas posibilidades para el diseño de herramientas y nos dará la capacidad de personalizarlas rápidamente para aplicaciones específicas", dijo. "Ciertamente tiene el potencial de cambiar el campo de juego para la industria en general, brindando ventajas a aquellos que pueden usarlo de manera efectiva".

Ceratizit no estuvo de acuerdo, al menos desde la perspectiva de la producción. "Tenga en cuenta que nosotros y otros estamos presionando inserciones en dos segundos, por lo que no veo cómo funcionaría esto con la impresión 3D", dijo Schleinkofer. "El proceso es demasiado caro. Además, tenga en cuenta que el carburo cementado denso no se puede producir mediante sinterización por láser. Solo se pueden imprimir piezas verdes, por lo que siempre es necesario un viaje al horno para la sinterización después del proceso de impresión 3D. Sin embargo, la impresión 3D nos brinda más flexibilidad en términos de implementar los requisitos del cliente y abre nuevas posibilidades de diseño, que podemos utilizar para ofrecer a nuestros clientes soluciones individuales altamente optimizadas en un tiempo mínimo. Es una solución ideal para volúmenes pequeños y componentes de alta complejidad".

Woksa de Ingersoll pintó un cuadro similar. Señaló que, si bien la tecnología para imprimir en 3D herramientas intercambiables y de carburo sólido está en desarrollo, es prácticamente imposible competir con la tecnología actual de producción de carburo. Sin embargo, el desarrollo de productos de insertos de carburo se verá afectado, ya que las herramientas e insertos de carburo especiales y de lotes pequeños se pueden producir de manera más rápida y económica si no se requiere un juego de matrices. "Además, existe el potencial de desarrollar capacidades únicas, como orificios pasantes de refrigerante con una precisión milimétrica que de otro modo sería imposible", dijo.

La respuesta de Sandvik Coromant fue muy similar a la de Ingersoll. "Al igual que otros fabricantes de herramientas de corte, estamos en la etapa de desarrollo, aunque esperamos que la impresión 3D contribuya a nuestra oferta de formas únicas y muy productivas", dijo Lind. "Eso podría ser desde el punto de vista de la creación de prototipos, como cabría esperar, pero también existe el potencial para soluciones de ingeniería avanzadas y complejas. Como dije, todavía es temprano en el juego, pero estén atentos".

Mantenerse en sintonía es un buen consejo para cualquier tecnología, y las herramientas de corte de carburo no son una excepción. White de SCT nos asegura que los sustratos de carburo y los recubrimientos de herramientas seguirán evolucionando para seguir el ritmo de los avances en materiales.

Y Drape of Horn dijo que las herramientas de corte de carburo y carburo siempre están mejorando, "pero a menos que haya algún mineral nuevo que se encuentre en abundancia y sea relativamente fácil de conseguir, será en pequeños pasos en lugar de a pasos agigantados". Sugirió que estas mejoras vendrán principalmente en forma de preparaciones y recubrimientos de bordes más avanzados que el carburo, aunque los tres son pilares necesarios de las herramientas de corte de alto rendimiento.

Davis de Kennametal está totalmente de acuerdo y agradece los avances en software informático y tecnología de máquinas herramienta durante la última década o dos de mejora continua. Con eso en mente, también cree que la industria de herramientas de carburo verá algunos cambios fundamentales en el futuro cercano. "Todos nosotros continuamos desarrollando mejores geometrías de cortadores y recubrimientos, pero la clave será reducirlos al nivel micro en lugar del macro", dijo.

Los fabricantes de herramientas de corte utilizan el análisis de elementos finitos (FEA) para comprender cuánto calor y fuerza se generarán durante el corte y determinar los ángulos de hélice óptimos y la formación de virutas mucho antes de que se fabrique la herramienta. Las máquinas herramienta también están mejorando, y muchos proveedores utilizan rectificadoras CNC capaces de mantener una precisión de 1 μm o superior. Ambos permiten la producción de herramientas de corte que, no hace mucho tiempo, eran imposibles de fabricar. Davis dijo: "Desde que comencé con Kennametal hace casi cuatro décadas, la tecnología ha avanzado a pasos agigantados".

Raun of Iscar tiene una historia igualmente larga en el negocio de las herramientas de corte. "En comparación con la barra de carburo que estaba disponible cuando entré en la industria, la dureza y la densidad han aumentado a un nivel muy alto", dijo. "Debido a esto, puede resistir el desgaste y las fuerzas de corte mucho mejor que antes. Combine eso con los recubrimientos avanzados de hoy y, como otros han mencionado, las geometrías y las preparaciones de bordes que ahora están disponibles, y se queda con mucho más herramientas de corte capaces que las que estaban disponibles anteriormente. Siento que esos avances solo continuarán a medida que mejore la tecnología detrás de ellos".

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