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May 14, 2023

Datos concretos sobre las herramientas de corte más duras

Las herramientas de corte de diamante y CBN son armas poderosas, pero ¿cuándo y cómo deberían

Las herramientas de corte de diamante y CBN son armas poderosas, pero ¿cuándo y cómo deben usarse?

Dos cosas que todo el mundo sabe sobre los diamantes: son muy duros y muy caros. Y lo mismo ocurre con las herramientas de corte de diamante policristalino (PCD) y de nitruro de boro cúbico (CBN). Son lo suficientemente duros para cortar materiales extremadamente difíciles de mecanizar, pero a un costo que los ha mantenido como una herramienta de último recurso en la mayoría de los casos, usados ​​solo cuando no hay una solución mejor y más barata.

"Las tecnologías CBN y PCD están un poco al margen de la aplicación de herramientas de corte", señaló Tom Raun de Iscar USA. "Y, por lo tanto, tienden a pasarse por alto la mayor parte del tiempo.

Sin embargo, hay dos verdades que los fabricantes más en la corriente principal del corte de metales deben considerar. En primer lugar, si bien el costo inicial de las herramientas de corte duro puede parecer una barrera formidable para su uso, en realidad pueden obtener un gran retorno de la inversión y reducir el costo por pieza cuando se usan en la aplicación correcta. Y segundo, las herramientas PCD y CBN están mejorando, haciéndolas más versátiles y ampliando los tipos de aplicaciones para las que son adecuadas.

Con la ayuda de cuatro expertos (incluido Raun), observamos cómo se utilizan ambos tipos y cómo estas herramientas son cada vez mejores y más útiles.

"Tanto los materiales de PCD como los de CBN se utilizan normalmente para aplicaciones de alta producción, lo que significa que es necesario producir un gran volumen de piezas", dijo Steve Howard, director de marketing e ingeniería de NTK Cutting Tools USA, Wixom, Michigan. "Ser la herramienta de corte más dura materiales en la industria, pueden ofrecer la mejor vida útil de la herramienta para varios materiales de la pieza. En el caso de CBN, hay otros materiales de herramientas de corte en el mercado que realizarán la misma operación de mecanizado a una velocidad de corte más alta, pero esos no pueden alcanzar la CBN. vida útil de la herramienta. CBN puede ofrecer más piezas y menos indexación de plaquitas con menor cantidad de superficie [para] mejorar el tiempo de ciclo en una pieza".

Los grados de CBN se utilizan predominantemente para cortar acero endurecido y metales en polvo, mientras que los PCD son más aplicables al mecanizado de materiales no ferrosos, señaló Howard.

"Sin embargo, los fabricantes de piezas están viendo una evolución en la composición de los materiales y se inventan nuevos materiales todos los días", dijo. "Es importante tomarse el tiempo para investigar la composición y las características del material que se mecanizará para determinar qué herramienta de corte y qué parámetros funcionarán mejor para mecanizarlo".

El precio de PCD y CBN los mantiene fuera de la lista de posibles soluciones para muchos talleres hasta que descubren que no tienen otra opción, y luego algunos de ellos dan el paso sin investigar adecuadamente los materiales a cortar, según Howard.

"Con las opciones de PCD y CBN, el costo del inserto es el factor disuasorio número uno para los clientes cuando seleccionan la herramienta de corte para su aplicación", dijo. "Una de las cosas más difíciles de juzgar es [cuál] será la vida útil exacta de la herramienta de estos dos materiales de herramientas de corte. Las pruebas son la clave para determinar la cantidad máxima de piezas que estos insertos pueden cortar antes de que se desgasten. Debido a su alto costo, desea obtener todas las partes que pueda de ellos. Muchos usuarios no saben si están obteniendo la máxima vida útil de la herramienta y es posible que no obtengan el valor de su dinero de cada índice ".

Craig Bastian ha visto que la tendencia de aligeramiento en la industria automotriz genera un mayor uso de herramientas PCD en su función como gerente general de IT.TE.DI North America, una empresa hermana de Ingersoll Cutting Tools Co. Ambas empresas tienen su sede en Rockford, Illinois. , y forman parte del Grupo IMC.

"En los últimos 10 o 15 años, cada vez más componentes automotrices están cambiando de hierro fundido a aluminio, por lo que el uso de PCD está creciendo a pasos agigantados en esta industria", dijo Bastian.

"Casi todos los automóviles de pasajeros y camiones ligeros en estos días tienen un bloque de aluminio y una cabeza de aluminio. Y en los vehículos eléctricos, incluso más componentes son de aluminio. PCD continuará creciendo en los próximos 20 a 25 años".

La misma tendencia de aligeramiento también está expandiendo el uso de CBN, dijo, ofreciendo el ejemplo del paso a CGI (hierro de grafito compactado) del hierro fundido en la fabricación de camiones.

"Muchos de los grandes fabricantes de camiones que todavía usaban hierro fundido para los bloques de motor y las culatas están cambiando a CGI porque pueden mantener toda la fuerza del hierro fundido pero aligerar el peso al reducir el grosor de la pared", dijo. "CGI es un material muy difícil de mecanizar, por lo que necesita la alta resistencia al desgaste de CBN".

Otra aplicación automotriz común para CBN es en materiales endurecidos utilizados para cajas de engranajes o componentes de transmisión. Nuevamente, debido a los requisitos de aligeramiento, estos deben fabricarse con tolerancias cada vez más estrictas, según Robert Keilmann, gerente de proyectos de torneado en Kennametal Inc., Latrobe, Pensilvania.

La industria aeroespacial también ha estado ampliando el uso de herramientas de corte de CBN, especialmente en la fabricación de motores, dijo Keilmann. "Si observa el motor a reacción, tiene el área fría en el frente, donde la entrada de aire está [hecha de] componentes generalmente hechos de titanio, debido a su bajo peso. Pero el área de combustión debe tener sus cuchillas hechas con mucha precisión. y discos y otros componentes hechos de materiales resistentes al calor a base de níquel como Inconel o Hastelloy".

En el pasado, estos materiales resistentes al calor generalmente se cortaban con herramientas con insertos de carburo, dijo. Pero el CBN permite una mayor vida útil de la herramienta y mayores velocidades de corte. "Si compara el corte de Inconel 718, por ejemplo, con carburo y CBN, encontrará que la velocidad a la que puede ejecutar el CBN es diez veces mayor", dijo.

Otra área madura para el crecimiento en la industria aeroespacial es el uso de herramientas duras para mecanizar compuestos de carbono, señaló Raun de Iscar. Describió el elaborado sistema de un cliente para taladrar agujeros con precisión en los compuestos de la estructura del avión para sujetadores usando brocas de carburo. El desafío era la vida más corta de la herramienta de carburo en comparación con los PCD y CBN, lo que se complicó por los pasos que se tomaron para garantizar la precisión del taladrado.

"Tenían un buje especial que se usaba para mantener alineado el taladro", explicó. "Eso significaba que sería necesario realizar una configuración compleja cada vez que tuvieran que reemplazar un taladro. Tendrían que desarmar todo el buje y el cambio tomó de 10 a 15 minutos cada vez, en cada una de las múltiples estaciones de perforación".

La solución que Iscar ofreció fue doble: en primer lugar, al utilizar PCD en lugar de carburo, la vida útil de la herramienta aumentó considerablemente, por lo que la cantidad de veces que fue necesario interrumpir la perforación se redujo considerablemente. Y en segundo lugar, dijo Raun, el sistema SUMOCHAM de Iscar de usar herramientas (taladros, en este caso) con cabezales reemplazables permitía al cliente cambiar rápidamente solo los cabezales del taladro, en lugar de realizar el lento proceso de reemplazar el taladro completo. Sin alterar el buje, "tienen espacio para entrar y cambiar rápidamente solo la cabeza. Literalmente toma segundos en lugar de 15 minutos por ejercicio", dijo. Los ahorros resultantes fueron "astronómicos", según Raun.

Los PCD y CBN comienzan con la ventaja de una vida útil más larga que su rival más común, el carburo. En la aplicación correcta, la vida útil de la herramienta es lo suficientemente larga como para que los costos iniciales más altos de la primera sean irrelevantes al considerar el costo total de producción.

Pero para algunos proveedores, ese costo inicial sigue siendo una barrera. Todos los fabricantes de estas herramientas continúan buscando formas de mejorar sus productos para convertirlos en mejores soluciones en una esfera de aplicaciones cada vez más amplia.

Por ejemplo, la tecnología de cabezales intercambiables de Iscar puede permitir que el PCD se utilice en compuestos y otras áreas. Según Raun, la empresa también está mejorando su método de estofar PCD o CBN en un inserto de carburo. "Por lo general, el estofado se realiza con bordes rectos, el borde del carburo contra el borde recto de la pequeña oblea plana de PCD o CBN", dijo. "Esa unión puede ser un punto de debilidad".

Iscar ha aumentado la superficie a estofar cambiando la forma de los dos bordes (ver foto en la página 61).

"Es casi como una ranura o una forma de 'S', con un patrón de acoplamiento en el sustrato", explicó. "Esto crea una conexión soldada mucho más fuerte, con mejor rigidez, y eso nos permite ser más agresivos con nuestras profundidades de corte y velocidades de avance". Y mientras Iscar está cambiando la forma del PCD y el CBN donde se une al carburo, también ha comenzado a colocar formadores de virutas en la vanguardia para permitir un mejor control de las virutas, dijo.

Un desarrollo notable en Ingersoll es cómo se forma la vanguardia de PCD, según Bastian. Tradicionalmente, eso se hace con electroerosión por hilo o rectificado, los cuales tienen una limitación.

"Los diamantes policristalinos, como sugiere su nombre, son cientos de miles de diminutas partículas de diamante compactadas juntas bajo fuerte calor y presión para formar esa oblea de PCD, sobre la cual se mecaniza un borde de corte", dijo. "Pero si miras el borde cortante bajo un microscopio, verás pequeños picos y valles, como una cadena montañosa en lo que debería ser un borde cortante plano". La superficie dentada se debe a que los procesos de EDM y rectificado extraen inevitablemente algunas de esas diminutas partículas de diamante del material compactado.

"Esos picos y valles se prestan para crear fallas más rápidamente", dijo Bastian. “Entonces, en estos días nos estamos moviendo más hacia la preparación de la vanguardia por medio del láser”. El láser corta las partículas de diamante en lugar de extraerlas, explicó. "Así que ahora tenemos un borde mucho más suave para empezar, lo que se presta a una vida útil mucho más larga de la herramienta".

Bastian señaló que la empresa ha estado usando el método láser durante aproximadamente siete años y, aunque algunos competidores también lo están haciendo de esta manera, el alto costo del equipo láser necesario es una barrera para algunos de sus rivales más pequeños. "Tenemos suerte. Pertenecemos al Grupo IMC y podemos permitirnos máquinas como esa".

NTK Cutting Tools mejora sus productos al trabajar con sus clientes para crear un borde de corte óptimo para cada aplicación, según Howard.

"La preparación del filo de la plaquita es un componente crítico para el éxito del mecanizado", dijo. "Una amplia gama de aplicaciones para estos insertos puede conducir a ajustes en el tratamiento del filo, según el material de la pieza y las condiciones de corte. El análisis de la aplicación y la identificación de la preparación del filo adecuada pueden jugar un papel importante en la maximización de la vida útil de la herramienta del inserto. Como decimos, uno el tamaño no sirve para todos".

Lo más importante para el éxito del cliente y de NTK es el énfasis de este último en trabajar en estrecha colaboración con el cliente para comprender sus requisitos, procesos y materiales de las piezas, explicó Howard.

"Nos asociamos con los clientes para desarrollar una solución que maximice la productividad y, a su vez, obtengamos una mayor comprensión de cómo funcionan PCD y CBN. Las condiciones de la vida real son la mayor ayuda para que los fabricantes de herramientas aprendan y perfeccionen la combinación óptima del grado de PCD. o CBN con preparaciones de filo para cada material. La recopilación de datos nos ayuda a ofrecer a los clientes las mejores soluciones".

Según Keilmann, la preparación de bordes y la tecnología de recubrimiento es lo que ha permitido a Kennametal cumplir con las tolerancias cada vez más estrictas de sus clientes.

"Los requisitos de precisión de las herramientas se han visto impulsados ​​por las necesidades de las aplicaciones, como tolerancias más estrictas en las cajas de cambios de los automóviles para mejorar la eficiencia del combustible", dijo. Y las herramientas han recorrido un largo camino.

"Hace veinte o treinta años no podíamos haber preparado un borde de corte como lo podemos hacer hoy. La capacidad de las rectificadoras que usamos ahora para procesar nuestras plaquitas permite una mayor precisión y tolerancias más estrictas que hace una década".

Las mejoras de vanguardia en la preparación son cómplices de la nueva tecnología de recubrimiento y otras innovaciones, dijo, utilizando como ejemplo un CBN de doble cara lanzado recientemente para tornear metales duros.

"Los grados KBH-10B y KBH-20B cuentan con un recubrimiento PVD TiN/TiAlN/TiN completamente nuevo para mayor resistencia al desgaste. Pero junto con el recubrimiento, implementamos un nuevo tipo de proceso de bruñido".

En la herramienta de doble cara, un borde presenta un afilado estilo "trompeta" para cortes más pesados ​​e interrumpidos, mientras que el otro tiene un afilado ligero para torneado continuo. Los afilados permiten "fuerzas de corte más bajas y, al mismo tiempo, mejoran la calidad de la superficie y la vida útil de la herramienta", dijo Keilmann. "Fue una buena combinación de desarrollar una nueva forma de filo y un nuevo recubrimiento, y luego implementarlos en las plaquitas de doble cara".

Para Keilmann, aunque algunas personas tienen una idea estática de lo que pueden hacer las herramientas PCD y CBN, el desarrollo de herramientas es cualquier cosa menos estático a medida que las herramientas mejoran. "Lo que siempre digo es, 'no reinventamos el carburo, no reinventamos el CBN. Lo único que inventamos es el diseño de las herramientas y cómo se pueden aplicar para mejorar los procesos y trabajar con una mayor variedad de materiales'".

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