Cómo elegir el material adecuado para herramientas de corte (Guía de CNC y torno)

En el mundo de Mecanizado y torneado CNCLa herramienta de corte es la espada del caballero. Elegir el material adecuado para la herramienta de corte es una de las decisiones más cruciales para optimizar la eficiencia de la producción, reducir costos y mejorar la calidad de las piezas. Si utiliza la herramienta incorrecta, se enfrentará a problemas frecuentes como astillado, mal acabado superficial y baja productividad.

Esta guía lo guiará a través de los principales materiales de herramientas de corte y le brindará un marco claro para ayudarlo a tomar la mejor decisión según la tarea de procesamiento.

¿Por qué es tan importante el material de las herramientas de corte?

El proceso de corte genera temperaturas y presiones extremadamente altas. El material de la herramienta debe resistir:

· Resistencia al desgaste: Evita el desgaste por virutas y mantiene el filo.

· Dureza: Debe ser más duro que el material que se está procesando, especialmente a altas temperaturas (denominada “dureza roja”).

· Tenacidad (Toughness): Puede soportar impactos y fuerzas de corte intermitentes, evitando astillamiento y fractura.

· Dureza en caliente: Capacidad de mantener la dureza a altas temperaturas generadas durante el corte.

Ningún material puede ser perfecto en todos los aspectos. El proceso de selección consiste en encontrar el equilibrio óptimo entre estos atributos para abordar desafíos específicos de procesamiento.

Explicación detallada de los principales materiales de las herramientas de corte.

Los siguientes son los tipos de materiales de herramientas de corte más utilizados en la actualidad, clasificados desde los más generales hasta los más especializados.

Acero de alta velocidad (HSS)

¿Qué es?: Es un acero para herramientas de aleación de alto grado elaborado añadiendo elementos como tungsteno, molibdeno, cromo y vanadio.

· Ventajas: Excelente tenacidad, bajo costo, capaz de fabricar formas de herramientas muy complejas (como brocas, machos de roscar, brochas) y fácil de reafilar.

· Desventajas: Baja resistencia al desgaste y dureza térmica (reblandecimiento a aproximadamente 600°C), y la velocidad de corte es mucho menor que la del carburo cementado.

· Mejores aplicaciones: mecanizado a baja velocidad, corte intermitente, herramientas con geometrías complejas, procesamiento de metales no ferrosos, talleres de reparación y producción de lotes pequeños.

2. Carburo

¿Qué es?: Se sinteriza mediante un proceso de pulvimetalurgia con partículas de carburo de tungsteno (WC) y cobalto (Co) como aglutinante. El carburo de tungsteno proporciona dureza, mientras que el cobalto proporciona tenacidad. Esta es la principal ventaja del mecanizado CNC moderno.

Ventajas: Presenta excelente resistencia al desgaste y dureza térmica (hasta 1000 °C), y su velocidad de corte admisible es más de 2-3 veces superior a la del acero de alta velocidad (HSS). Posee una gran versatilidad.

· Desventajas: Más frágil que el HSS y más caro.

· Aplicación óptima: Semiacabado y acabado de la gran mayoría de materiales, desde acero y acero inoxidable hasta hierro fundido y superaleaciones. (Nota: El carburo cementado es una categoría amplia y su rendimiento puede variar significativamente debido a ajustes en el recubrimiento y la composición).

3. Carburo revestido

Qué es: Una película muy delgada (de unos pocos micrómetros) de material superduro se deposita sobre un sustrato de aleación dura mediante procesos de CVD (deposición química de vapor) o PVD (deposición física de vapor).

· Recubrimientos comunes:

· Nitruro de titanio (TiN): Recubrimiento dorado universal, que mejora la resistencia al desgaste.

· Nitruro de titanio (TiCN): Más resistente al desgaste que el TiN, azul o gris.

Nitruro de titanio y aluminio (TiAlN)/nitruro de cromo y aluminio (AlCrN): Recubrimiento de alta calidad. A altas temperaturas de corte, se forma una capa de alúmina, con una dureza térmica y una resistencia a la oxidación extremadamente altas, lo que la hace ideal para el mecanizado de alta velocidad y el corte en seco.

· Ventajas: El recubrimiento mejora significativamente la dureza de la superficie, el rendimiento de la barrera térmica y la lubricidad, aumentando la vida útil de la herramienta varias veces.

· Aplicación óptima: Abarca prácticamente todos los escenarios de procesamiento, y la elección depende del material a procesar. El TiAlN es una excelente opción para procesar acero y hierro fundido.

4. Cerámica

Qué es: Se divide principalmente en dos categorías: a base de alúmina (Al2O3) (utilizada para el procesamiento de hierro fundido a alta velocidad) y a base de nitruro de silicio (Si3N4) (utilizado para el mecanizado en bruto de hierro fundido a alta velocidad).

· Ventajas: Tiene mayor dureza térmica y resistencia al desgaste que el carburo cementado, buena estabilidad química y una velocidad de corte extremadamente alta.

· Desventajas: Extremadamente frágil, poca tolerancia al impacto y al corte intermitente, y no es adecuado para materiales viscosos como el aluminio.

· Mejor aplicación: Acabado de alta velocidad y corte en seco de fundición y superaleaciones.

5. Nitruro de boro cúbico (CBN)

¿Qué es?: Un material artificial con una dureza solo superada por el diamante. Se suele vender en forma de pequeñas puntas de CBN soldadas a insertos de aleación dura.

· Ventajas: Dureza y estabilidad térmica extremadamente altas, lo que lo hace muy adecuado para el endurecimiento por trabajo de acero y fundición enfriada.

· Desventajas: El coste es extremadamente alto y la tenacidad es media.

· Aplicación óptima: Acabado de acero templado con dureza superior a 45 HRC (como acero para matrices y engranajes). Es la primera opción para torneado en lugar de... proceso de "molienda".

6. Diamante policristalino (PCD)

Qué es: Se fabrica sinterizando partículas de diamante artificial a alta temperatura y alta presión y, normalmente, también se suelda sobre un sustrato de aleación dura.

· Ventajas: El material de corte más duro y resistente al desgaste disponible en la actualidad.

· Desventajas: Es extremadamente caro, muy frágil y puede sufrir reacciones químicas con materiales a base de hierro (acero, hierro fundido) (el carbono se difundirá a 800 °C), por lo que no se puede utilizar para procesar metales ferrosos.

· Mejor aplicación: Procesamiento de alta velocidad y alta precisión de metales no ferrosos y materiales abrasivos, como aleaciones de silicio-aluminio, materiales compuestos, fibras de carbono, plásticos, cobre y aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio.

Cómo elegir: Diagrama de flujo de decisiones y factores clave

Al elegir los materiales de las herramientas para su aplicación, piense en el siguiente orden:

1. Material de la pieza a procesar (material de la pieza): ¡este es el factor principal!

Aluminio, cobre, materiales compuestos, etc.: El PCD es la mejor opción para alta velocidad, alta calidad y larga vida útil. El carburo cementado sin recubrimiento es una opción económica.

Acero al carbono, acero aleado, acero inoxidable: El carburo cementado revestido (TiAlN/AlCrN) es una opción universal. Para herramientas de corte de baja velocidad o complejas, el acero rápido (HSS) sigue siendo una opción válida. Para acero templado y endurecido (>45 HRC), se selecciona el CBN.

Hierro fundido: La aleación dura revestida es muy eficaz. Para el procesamiento a alta velocidad, la cerámica es la opción ideal.

Aleaciones de alta temperatura (como Inconel y titanio): Se requieren aleaciones duras especiales con recubrimientos de alta tenacidad (como AlCrN). También se pueden utilizar cerámica y CBN.

No metálicos (plástico, madera, etc.): Una aleación dura sin recubrimiento o HSS suele ser suficiente. Para plásticos reforzados con alta abrasividad, el PCD ofrece la mayor vida útil.

2. Tipo de operación de procesamiento

· Mecanizado de desbaste vs. mecanizado de acabado: el mecanizado de desbaste requiere tenacidad (seleccione un grado de aleación dura con mejor tenacidad), mientras que el mecanizado de acabado prioriza la resistencia al desgaste y la dureza (elija un grado más duro o CBN/PCD).

Corte continuo vs. corte intermitente: El fresado suele ser intermitente y requiere alta tenacidad (aleación dura o acero rápido). El torneado del círculo exterior suele ser continuo y permite utilizar materiales más duros y frágiles (como la cerámica).

3. Máquinas herramientas y configuración

Las máquinas herramienta antiguas o las configuraciones con rigidez insuficiente son propensas a vibraciones y requieren herramientas con mayor tenacidad (como carburo cementado tenaz o HSS).

Modernos de alta velocidad y alta rigidez. máquinas herramienta CNC Puede aprovechar al máximo el rendimiento de la cerámica y los carburos cementados recubiertos.

4. Consideraciones de costos

· Costo inicial vs. costo unitario: Si bien las hojas de CBN y PCD son muy costosas, en la producción en masa, debido a su vida útil extremadamente larga y su eficiencia de procesamiento extremadamente alta, pueden reducir significativamente el costo de procesamiento de cada pieza.

Prototipado de lotes pequeños: El carburo cementado revestido ofrece la mejor relación calidad-precio. El acero rápido (HSS) sigue siendo rentable para formas extremadamente complejas o cantidades de trabajo muy pequeñas.