Desgaste de Herramientas y Maquinabilidad: Mecanizado de Titanio y Aluminio

Mecanismos Generales de Desgaste

El desgaste de la herramienta de corte (en adelante, hmta) puede ocurrir por diversos mecanismos:

• Por abrasión: Causado por diferencias de dureza entre la herramienta y el material mecanizado.
• Por difusión: Ocurre a altas temperaturas en la arista de corte y en la cara de desprendimiento de viruta.
• Por oxidación: Se produce a alta temperatura (Tª alta) en la arista de corte.
• Por fatiga: Resultado de condiciones de corte no adecuadas, como la formación de viruta segmentada.
• Por adhesión: Relacionado con la formación de filo recrecido (o filo de aportación).

Tipos de Desgaste en la Herramienta (hmta)

• Desgaste en la incidencia (Desgaste de flanco): Causado principalmente por abrasión. Aumenta con la velocidad de corte (Vc).
• Desgaste de cráter: Se localiza en la superficie de desprendimiento. Asociado a altas temperaturas (Tª alta) y presiones elevadas. Se produce por mecanismos de difusión y abrasión. Se mide por su avance y profundidad.
• Deformación plástica: Ocurre por altas temperaturas (Tª ↑) y presiones (P↑) concentradas en el filo de corte. Puede llevar a la rotura de la arista de corte.
• Fisuras térmicas: Desgaste por fatiga térmica debido a cambios cíclicos de temperatura (Tª).
• Astillamientos: Se genera cuando el filo recrecido se desprende por fatiga, provocando un aumento de la fuerza de corte (Fc ↑) y la rotura del filo principal.
• Filo de aportación (Filo recrecido): El material mecanizado se suelda a la hmta. Factores que lo reducen: ángulo de desprendimiento (γ) alto, longitud de contacto (l_c) pequeña.

Mecanizado de Titanio

Propiedades del Titanio relevantes para el mecanizado:

• Buena resistencia a la fractura.
• Alta resistencia mecánica específica, incluso a alta temperatura (Tª alta).
• Buena resistencia a la corrosión.
• Coste elevado.
• Reactividad química: Tiende a reaccionar con el material de la herramienta (hmta).
• Baja conductividad térmica: El calor generado se concentra en la zona de corte y en la hmta.
• Módulo de Young bajo (menor rigidez).
• No genera par galvánico con materiales compuestos (composites).
• Maquinabilidad considerada mala.

Problemas en el Mecanizado de Titanio:

• Elevada Temperatura (Tª): Debido a su baja conductividad térmica.
• Longitud de contacto pequeña: Concentra las tensiones.
• Elevadas presiones de corte: Pueden deformar la arista de corte.
• Reactividad química: Reacciona con la hmta, acelerando el desgaste.
• Desgaste rápido de la herramienta.
• Baja rigidez: Puede generar vibraciones durante el corte.
• Formación de viruta segmentada: Puede provocar cargas cíclicas y fatiga en la hmta.

Herramientas (hmta) y Desgaste en Titanio:

• Herramientas comunes: Metal duro (Wc/Co), Diamante Policristalino (PCD).
• Mecanismos de desgaste principales:
  • Debido a altas fuerzas de corte (Fc↑) y temperaturas (Tª↑).
  • Desgaste combinado en la cara de desprendimiento y en la cara de incidencia (flanco).
  • Principalmente por difusión y adhesión.

Mecanizado de Aluminio

Estrategias para Evitar el Filo Recrecido:

• Utilizar filos agudos o ángulos de desprendimiento grandes (γ).
• Emplear rompevirutas efectivos.
• Rediseñar la geometría de la hmta.
• Uso de fluidos de corte (lubricantes/refrigerantes).
• Aplicar recubrimientos a la hmta.

Características del Mecanizado de Aluminio:

• Generalmente se mecanizan bien. Se prioriza el acabado superficial sobre el desgaste de la hmta.
• Alto riesgo de formación de filo recrecido debido a su elevada ductilidad.
• Temperaturas (Tª) de corte menores que en aceros.
• Alta expansión térmica, que puede causar deformaciones (pandeo/flexión) en la pieza.
• Variación de propiedades con el incremento de Tª (mayor ductilidad, lo que agrava los problemas de filo recrecido).

Mejora de la Maquinabilidad del Aluminio:

• Adición de elementos: Se añaden Plomo (Pb), Bismuto (Bi) y Estaño (Sb). Estos no son solubles, forman glóbulos en la matriz y actúan como lubricantes internos. Reducen la ductilidad y favorecen la formación de una viruta más corta y manejable.
• Selección de Herramientas: Se suelen mecanizar con herramientas de acero rápido (HSS). A velocidades de corte (V) altas, se pueden utilizar herramientas de metal duro, preferiblemente sin recubrimiento si se emplea taladrina (fluido de corte).

Influencia de Aleantes en la Maquinabilidad (Generalmente en Aceros)

Sulfuros (S):

• Disminuyen la Tª durante el mecanizado. Se introducen como Azufre (S), Sulfuro de Hierro (FeS) o Sulfuro de Manganeso (MnS).
• Se depositan preferentemente en los límites de grano, debilitándolos.
• Facilitan la formación de viruta corta.
• Actúan como lubricante propio.
• Pueden formar una capa protectora sobre la hmta.
• Tienden a rodear inclusiones duras como la alúmina (Al₂O₃), reduciendo su efecto abrasivo.

Plomo (Pb):

• Es uno de los elementos más beneficiosos para la maquinabilidad, pero es contaminante y su uso está restringido.
• Es insoluble en el Hierro (Fe).
• Forma glóbulos que actúan como lubricante y crean una capa protectora en la hmta.
• Se sustituye a menudo por Bismuto (Bi).

Cromo (Cr):

• Generalmente no son favorables para la maquinabilidad.
• Se emplean como aleantes en aceros inoxidables para mejorar la resistencia a la corrosión.
• Es un elemento alfágeno (favorece la formación de ferrita).
• Afina el tamaño de grano.
• Forma carburos duros y resistentes al desgaste, lo que puede dificultar el mecanizado.

Calcio (Ca):

• Puede formar una capa protectora sobre la hmta que permanece estable a altas temperaturas (Tª altas).
• Reduce el efecto abrasivo de las inclusiones de alúmina.
• Ayuda a controlar la forma, tamaño y distribución de las inclusiones de óxido.
• Mejora la maquinabilidad, la ductilidad y la resistencia al impacto del acero.
• Permite el uso de velocidades de corte (V) más altas.
• En aceros con Calcio y Azufre: a bajas velocidades (V↓) actúa preferentemente el S, mientras que a altas velocidades (V↑) predomina el efecto beneficioso del Ca.
• Favorece la formación de una capa protectora en la hmta.