5° AÑO

AÑO: 2013

AUTOR:

JULIO ALBERTO

CORREA

ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA PARTICULAR INCORPORADA NUESTRA SEÑORA DE LA GUARDIA N°8199

1HERRAMIENTAS DE CORTE – PARTE PRIMERA

HERRAMIENTAS DE CORTE

Antes de estudiar la herramienta de corte, debemos considerar que material se va a mecanizar.

Los metales, por ejemplo, están normalizados de acuerdo a sus características en cuanto a la formación y arranque de la viruta.

Los ACEROS ISO-P, representados con el color celeste, ocupan el sector más extenso en el corte de metales.

Los aceros no aleados, tienen un contenido de carbono inferior al 1,7%, y ningún otro componente aleante.

Los aceros aleados tienen un contenido de carbono superior al 1,7%, y además otros aleantes como Ni, Cr, Mo, V y W.

Produce virutas largas de control relativamente fácil, pero si la misma es contínua, provoca un efecto de craterización en la herramienta de corte.

El acero de bajo contenido de carbono es pastoso al corte y necesita filos de corte más agudos.

En el corte, se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1100°C.

Los ACEROS INOXIDABLES ISO-M, son aceros aleados con un mínimo de Cr del 11-12%.

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Los elementos aleantes son principalmente Ni, Mo y Ti, con frecuencia de una presencia de C reducida (hasta un mínimo de 0,01%).

La capa superficial de Cr2O3 evita la corrosión.

Al mecanizarlo produce virutas largas con tendencia a soldarse sobre el filo de corte. El control de viruta pasa a ser aceptable en el ferrítico, y difícil en el austenítico.

La FUNDICIÓN DE HIERRO ISO-K, es una aleción Fe-C, con un contenido de C mayor del 2%, y de Si relativamente alto (1-3%).

Los agregados de Cr, Mo y V le aumentan la resistencia y la dureza, pero le dificultan la maquinabilidad.

Se mecanizan generalmente dos tipos de fundiciones, gris y nodular, siendo la última quien provoca por su dureza mayor desgaste en la herramienta de corte.

Su viruta es corta, discontinua (granular), de fácil manejo, pero que provoca desgaste por abrasión a altas velocidades de mecanizado.

Los MATERIALES NO FERREOS ISO-N, entre los cuales encontramos aleaciones de aluminio con un contenido de Si hasta de un 22%, el cobre, el bronce y el latón, los plásticos, el kevlar.

El control de virutas es fácil, ya que generalmente estos materiales producen virutas largas. Sin embargo, el aluminio es un material pastoso que requiere filos de corte agudos para evitar que se suelde sobre la herramienta.

El contenido de Si en la aleación de Al, es quien determina el tipo de herramienta:

Desde 0% hasta 9% de Si Desde13% hasta 21% de Si

Filos de envirutamiento de 15° a 18° Misma herramienta que para el acero

Las SUPERALEACIONES TERMORRESISTENTES ISO-S, también llamados HRSA son aleaciones con base de Fe, Ni y Co, con tratamiento térmico por solución, laminado envejecido, forjado o fundido.

El aumento del elemento aleante (el Co más que el Ni), produce una mayor resistencia térmica, a la tracción y a la corrosión.

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En el mecanizado produce viruta larga pero segmentada, de difícil control, concentrando el calor en la punta de la herramienta.

Requieren ángulos de filos muy agudos, trabajando con ángulos de desprendimiento negativos si se trata de herramientas de cerámica, o positivos si son herramientas de metal duro.

La máquina debe ser robusta, ya que requiere de bastante potencia de mecanizado.

Los MATERIALES ENDURECIDOS ISO-H, son aceros templados desde 45-65 HRC, fundición de hierro envejecido de 400 HB.

Tienen un aceptable control de virutas (largas), con ángulo de desprendimiento negativo y una importante potencia de máquina.

Ahora veremos con que materiales se construyen las herramientas para desbastar estos materiales:

ACEROS PARA HERRAMIENTAS

En este grupo se incluyen todos los aceros que normalmente se emplean para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta.

Los Aceros para Herramientas se denominan así, porque se usan para fabricar herramentales, tales como: troqueles, moldes, cuchillos, etc.

Se caracterizan por ser aceros de fabricación muy especial en donde su composición química les confiere propiedades particulares como brillo, tenacidad y resistencia al desgaste.

Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).

Principales tipos de aceros de herramientas

-Aceros al carbono: para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. Para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y cortafríos; se emplean contenidos medios en carbono (0.50 a 0.70%). Para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima dureza, deben ser templados en agua.

-Aceros rápidos: la característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi al rojo (600º) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1%; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%.

-Aceros indeformables: reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%.

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ACEROS DE HERRAMIENTAS

Clasificación de los aceros de herramientas:

En la práctica, la aplicación de este término queda limitada a los aceros especiales de gran calidad utilizados en la fabricación de útiles o herramientas destinados a trabajar los materiales por corte o por presión.

Hay diversos procedimientos que pueden servir para agrupar los aceros de herramientas. Uno de ellos los clasifica en función del medio de temple utilizado: así se tiene aceros de temple en agua, aceros de temple en aceite y aceros de temple al aire. El contenido en elementos de aleación también puede servir para agrupar los aceros, y en función de él se dividen en aceros de herramientas al carbono, aceros de baja aleación y aceros de aleación media. Finalmente, en función de la aplicación que van a tener, se clasifican en aceros rápidos y aceros para trabajos en frío.

Elección de los aceros de herramientas:

En la mayoría de los casos nos encontramos con que son varios los tipos e incluso las familias de aceros que nos resolverían satisfactoriamente un determinado problema de herramientas, lo que hace que la selección se base en otros factores, tales como productividad prevista, facilidad de fabricación y costo. En última instancia es el costo de las herramientas por unidad de producto fabricado el que determina la selección de un determinado acero.

Los aceros de herramientas, además de utilizarse para la fabricación de elementos de máquinas, se emplean para la fabricación de útiles destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por arranque de viruta, cortadura, conformado, embutición, extrusión, laminación y choque.

De todo lo dicho se deduce que, en la mayoría de los casos, la dureza, tenacidad, resistencia al desgaste y dureza en caliente constituyen los factores más importantes a considerar en la elección de los aceros de herramientas.

Tenacidad:

En el caso de los aceros de herramientas, el término tenacidad se refiere más a la capacidad de sufrir golpes sin rotura que a la facultad de absorber energía durante la deformación. La mayor parte de las herramientas tienen que ser piezas rígidas, y por lo general cualquier deformación que presenten, por pequeña que sea, las hace inservibles. Los aceros de herramientas con contenidos en carbono medios y bajos, son los que presentan mejor tenacidad y constituyen el material utilizado en la fabricación de herramientas resistentes al choque.

Dureza en caliente:

Esta propiedad expresa la resistencia que presenta el acero al ablandamiento a temperaturas elevadas, y viene reflejada, en cierto modo, por la resistencia que ofrece el material al revenido, la cual constituye un factor importante a considerar en la elección de los aceros de herramientas que trabajen a más de 500 °C es fundamental que posean aleación, formadores de carburos duros y estables, mejora generalmente la resistencia la ablandamiento a temperaturas elevadas, destacando en este sentido los aceros que contienen grandes cantidades de tungsteno, cromo y molibdeno.

Maquinabilidad:

Esta propiedad indica la mayor o menor facilidad que presenta el material a su mecanización y a la obtención de un acabado perfecto. Los factores que influyen en la maquinabilidad de los aceros de herramientas son la dureza en estado de recocido, la microestructura del acero y la cantidad de carburos presentes.

En comparación con los aceros aleados normales, los aceros de herramientas son mucho más difíciles de mecanizar. La maquinabilidad y facilidad de trabajo de los aceros de herramientas disminuye al aumentar el contenido de

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carbón y elementos de aleados. Conforme aumenta el contenido en carbono y elementos de aleación en los aceros, carbono en combinación con elementos que tienen gran tendencia a formar carburos, como el vanadio, el tungsteno, el cromo y el molibdeno, reduce la maquinabilidad al formarse gran número de partículas duras de carburo, que no se disuelven en el recocido.

Aceros para usos especiales:

Los aceros al tungsteno presentan una resistencia al desgaste muy bueno, utilizándose para la construcción de herramientas de bruñir, hileras de trefilar, matrices de estampar, etc.

Los aceros de baja aleación, especialmente los que contienen níquel, destacan por su tenacidad. Se utilizan para la fabricación de herramientas y piezas sometidas a golpes fuertes, como ocurre con las cuchillas de las cizallas, rodillos de laminar roscas, etc.

Los aceros para moldes se utilizan para la fabricación de troqueles para la industria de plásticos, los cuales se conforman por punzonado o por un proceso mixto de punzonado y mecanizado.

Tratamiento térmico de los aceros de herramientas:

El calentamiento de estos aceros debe realizarse efectuando el calentamiento lentamente. O bien precalentando el material a una temperatura más baja antes de introducirlo en un horno a elevadas temperaturas. A veces se colocan las piezas a tratar en un horno frío, calentándose simultáneamente el horno y las piezas hasta alcanzar la temperatura requerida. En cualquier caso, es importante que la pieza permanezca a la temperatura adecuada el tiempo necesario para que se caliente uniformemente toda su masa.

Debe procurarse no calentar el acero de herramientas a temperaturas demasiado altas ni mantenerlo a temperatura demasiado tiempo para evitar los sobrecalentamientos.

El procedimiento y los medios de temple utilizados varían según el tipo de acero a tratar y la velocidad de enfriamiento requerida, los aceros al carbono y de baja aleación se templan en salmuera o agua, y los aceros de alta aleación en aceite, aire a sales fundidas.

Es conveniente efectuar el revenido de los aceros de herramientas inmediatamente después de templarlos y antes de que se hayan enfriado a la temperatura ambiente, para reducir al mínimo el peligro de formación de grietas, debidas a las tensiones originadas en el temple.

ACEROS RÁPIDOS

Entre los aceros de herramientas, este tipo es el más aleado, y los aceros que lo forman contienen normalmente grandes cantidades de tungsteno (13 A 19%), junto con cromo (3,5 A 4,5%), vanadio (0,8 A 3,2%) y a veces molibdeno y cobalto. El contenido de carbono varía entre 0,7 y 1%, aunque en algunos pueden llegar a valer hasta un 1,5%.

La principal aplicación de estos aceros es la fabricación de herramientas de corte, aunque también se utilizan en la construcción de matrices de extrusión, herramientas para bruñir y punzones de corte.

Presentan una dureza en caliente excelente y una resistencia al choque bastante buena. Entre sus cualidades tenemos buena indeformabilidad, buena resistencia al desgaste, maquinabilidad regular, pudiendo templarse en aceite, al aire o en sales fundidas.

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Los aceros rápidos se pueden clasificar en dos grupos: aceros con molibdeno y aceros con tungsteno.

ACEROS EXTRA-RÁPIDOS

Los aceros extra rápidos o de alta velocidad HSS (High Speed Steel), son quienes tienen la más amplia aplicación en herramientas de corte. Con molibdeno y wolframio en su composición, además de cromo y vanadio, tienen buena resistencia a la temperatura y al desgaste. Generalmente lo encontramos en brocas (mechas), machos de roscar, cojinetes, fresas y hojas de sierra.

Si el porcentaje de tunsgteno (wolframio) es superior al 18%, es cuando reciben el nombre de aceros HSS.

Estos aceros se caracterizan por una notable resistencia al desgaste del filo de corte aún con temperaturas superiores a los 600°C, por lo que las herramientas fabricadas con este material pueden emplearse cuando las velocidades de corte requeridas son mayores a las empleadas para trabajar con herramientas de acero rápido.

El HSS fue descubierto en 1898 por Frederick Winslow Taylor un ingeniero estadounidense más conocido por haber puesto las bases de la Organización Científica del Trabajo (Taylorismo). Descubrió, tras muchos experimentos, que añadiendo wolframio a un acero aleado en una proporción superior al 18%, aumentaba su punto de fusión desde 500°C hasta 800°C.

Se basó en el acero RMS descubierto por Robert Mushet 30 años atrás y que venía siendo empleado como mejor acero para herramientas de corte.

Pensado como acero de herramienta, pudo aumentar la velocidad de corte habitual de 10 m/min hasta 40 m/min.

Los Acero Rápidos (HSS) tienen altos niveles de dureza y muy buena resistencia al desgaste a altas temperaturas de laminación. Esta calidad se produce por el método de Doble Colada Centrifugada (CC Duplex) y el material del núcleo es hierro de Grafito Esferoidal (SG) Perlítico.

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ACEROS EXTRA-RÁPIDOS AL COBALTO

Varias herramientas de corte se fabrican con este tipo de acero HSS. Estas tienen un agregado de cobalto mayor al 5% en su composición.

El cobalto es agregado para mantener la dureza del acero aún sometido a altas temperaturas para evitar el revenido y por consecuencia perder el afilado, razón por el cual se utiliza en herramientas de corte a alta velocidad que generan calor excesivo por fricción.

Pero en la industria metalmecánica, es común encontrar barras y cuchillas de este material para el mecanizado en tornos, las cuales deben pasar por un proceso de afilado.

De esta manera, se afilan herramientas de acuerdo a los perfiles de corte pensados por el Ing. Frederick Winslow Taylor, según el proceso que se observa en el dibujo:

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Herramienta de corte según diseño de Taylor

CARBUROS METÁLICOS (CERÁMICOS)

El carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por wolframio y carbono.

Pertenece al grupo de los carburos, con composición química de W3C hasta W6C. Se utiliza fundamentalmente,

debido a su elevada dureza, en la fabricación de maquinarias y utensilios para trabajar el acero. De esta

característica también recibe el nombre de widia, una de las primeras denominaciones comerciales de este

compuesto, como abreviatura del alemán Wie Diamant (WIDIA)(«como el diamante»).

Debido a su elevada dureza y escasa ductilidad, se elaboran piezas de este material en forma de polvo, añadiendo

entre un 6 y un 10% de cobalto. Los granos del carburo de wolframio empleados en el proceso suelen tener

diámetros de aproximadamente 0,5 a 1 micrómetros. El polvo se prensa, y las piezas obtenidas se calientan bajo

presión de 10 000 a 20 000 bar, hasta aproximadamente 1600 °C, algo por debajo del punto de fusión del carburo.

En estas condiciones, la masa se compacta por sinterización, actuando el cobalto como pegamento entre los granos

del carburo.

El acabado final de las piezas sólo se puede realizar con métodos abrasivos. También es posible trabajarlo con

máquinas de electroerosión de hilo o penetración.

El tipo de material formado de esta manera se conoce como cermets, de las siglas inglesas ceramic metal.

Historia

El carburo de wolframio fue descubierto por el químico y Premio Nobel francés Henri Moissan

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Moissan adaptó el horno eléctrico para experimentos científicos y descubrió varios carburos, entre ellos el de silicio o carborundum llamado en su honor moissanita.

En 1897, buscando conseguir diamante artificial, mezcló partículas metálicas de wolframio y de azúcar (por su contenido de carbono), calentando la mezcla a alta temperatura. El resultado fue una masa azul oscura de una gran dureza: el carburo de wolframio. Sin embargo aunque registró su descubrimiento e identificó los componentes, su extrema fragilidad lo hacía inoperante.

Durante la Primera Guerra Mundial se hicieron algunos experimentos en Alemania, sinterizando partículas de carburo de wolframio. Se prensaron en varias formas a alta presión y se trataron térmicamente. De nuevo el producto resultante fue demasiado frágil para procesarlo industrialmente.

No sería hasta el año 1923 cuando unos ingenieros de la fábrica berlinesa de bombillas OSRAM (licenciada por General Electric) lograron sintetizar un producto a base de carburo de wolframio utilizando como aglomerante un 10% de cobalto. El cobalto dio tenacidad a la aleación resultante lo que permitía su uso industrial. Este producto también recibió el nombre de Metal Duro o “Hard Metal”

De ese modo, culminaron su búsqueda de varios años para producir un "metal duro como el diamante" (en alemán Metall hart wie Diamant).

El proceso de fabricación del carburo de wolframio, es por su complejidad un proceso de costo elevado, por lo que fabricar herramientas integrales de este material no era económicamente sustentable. Esto sumado al hecho de que su extrema dureza iba emparejada con su alta fragilidad, que lo hacía propenso a las roturas.

Es por eso que se pensó fabricarlo en plaquitas de reducido tamaño, las cuales se unían al extremo de una barra de material más económico mediante una soldadura con bronce.

Esto, si bien solucionaba algunos inconvenientes, necesitaba el reafilado constante en muelas especiales de estas herramientas, tornando su mantenimiento engorroso y poco práctico. La herramienta perdía material y por consiguiente geometría en cada afilado, lo que requería una nueva puesta a punto.

Hasta que apareció en Japón una fábrica de plaquitas de metal duro que consiguió unir mecánicamente los llamados insertos al mango metálico, haciendo inútil el reafilado y simplificando la sustitución de plaquitas quemadas o rotas. De esta manera también se aprovecharon también todos los filos útiles de la plaquita.

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