Maquinabilidad

La maquinabilidad es la facilidad con la que se puede cortar ( mecanizar ) un metal, lo que permite la eliminación del material con un acabado satisfactorio a bajo costo. ^[1] Los materiales con buena maquinabilidad ( materiales de maquinabilidad libre ) requieren poca potencia para cortar, se pueden cortar rápidamente, obtienen fácilmente un buen acabado y no causan un desgaste significativo en las herramientas . Los factores que normalmente mejoran el rendimiento de un material a menudo degradan su maquinabilidad, lo que presenta un desafío de ingeniería significativo.

La maquinabilidad puede ser difícil de predecir debido a la gran cantidad de variables involucradas en el proceso de mecanizado. Dos conjuntos de factores son la condición de los materiales de trabajo y las propiedades físicas de los materiales de trabajo. ^[2] La condición del material de trabajo incluye al menos ocho factores: microestructura , tamaño de grano , tratamiento térmico , composición química, fabricación, dureza , límite elástico y resistencia a la tracción . ^[3] Las propiedades físicas son las de los grupos de materiales individuales, como el módulo de elasticidad , la conductividad térmica , la expansión térmica y el endurecimiento por deformación . ^[3] Otros factores importantes son las condiciones de operación, el material y la geometría de la herramienta de corte y los parámetros del proceso de mecanizado específico que se está realizando. ^[3]

Los aceros se encuentran entre los materiales más importantes y utilizados en ingeniería. Los aceros de fácil mecanizado son aleaciones que incluyen elementos como azufre y plomo que reducen el tamaño de las virutas producidas por el proceso de mecanizado. ^[4] Los aceros de fácil mecanizado son más caros que los aceros estándar, pero su costo se compensa con el ahorro en los costos de fabricación.

Existen muchos factores que afectan la maquinabilidad, pero no existe una forma ampliamente aceptada de cuantificarla. En cambio, la maquinabilidad suele evaluarse caso por caso y las pruebas se adaptan a las necesidades de un proceso de fabricación específico. Las métricas comunes para la comparación incluyen la vida útil de la herramienta, la calidad del acabado de la superficie, la temperatura de corte, las fuerzas de la herramienta y el consumo de energía. ^{[5] [6]}

La maquinabilidad se puede basar en la medida de cuánto dura una herramienta. Esto puede ser útil al comparar materiales que tienen propiedades y consumos de energía similares, pero uno es más abrasivo y, por lo tanto, disminuye la vida útil de la herramienta. La principal desventaja de este enfoque es que la vida útil de la herramienta depende de más factores que el material que se está mecanizando; otros factores incluyen el material de la herramienta de corte, la geometría de la herramienta de corte, el estado de la máquina, la sujeción de la herramienta de corte, la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte. Además, la maquinabilidad de un tipo de herramienta no se puede comparar con la de otro tipo de herramienta (es decir, una herramienta HSS con una herramienta de carburo). ^[6]

${\displaystyle {\text{Índice de maquinabilidad (}}\%{)}={\frac {\text{velocidad de corte del material para una vida útil de la herramienta de 20 minutos}}{\text{velocidad de corte del acero de fácil mecanización para una vida útil de la herramienta de 20 minutos}}}*100}$

Las fuerzas que necesita una herramienta para cortar un material están directamente relacionadas con la potencia consumida. Por lo tanto, las fuerzas de la herramienta suelen expresarse en unidades de energía específica. Esto conduce a un método de clasificación en el que las energías específicas más altas equivalen a una maquinabilidad más baja. La ventaja de este método es que los factores externos tienen poco efecto en la clasificación. ^[6]

El acabado superficial se utiliza a veces para medir la maquinabilidad de un material. Los materiales blandos y dúctiles tienden a formar un borde reforzado . El acero inoxidable y otros materiales con una alta capacidad de endurecimiento por deformación también quieren formar un borde reforzado. Las aleaciones de aluminio, los aceros trabajados en frío y los aceros de mecanizado libre , así como los materiales con una zona de alta cizalladura, no tienden a formar bordes reforzados, por lo que estos materiales se clasificarían como más mecanizables. ^[7]

La ventaja de este método es que se mide fácilmente con el equipo adecuado. La desventaja de este criterio es que a menudo es irrelevante. Por ejemplo, al realizar un corte basto, el acabado de la superficie no tiene importancia. Además, los cortes de acabado a menudo requieren una cierta precisión que naturalmente logra un buen acabado de la superficie. Este método de clasificación tampoco siempre concuerda con otros métodos. Por ejemplo, las aleaciones de titanio obtendrían una buena calificación según el método de acabado de la superficie, una calificación baja según el método de vida útil de la herramienta y una calificación intermedia según el método de consumo de energía. ^{[7] [8]}

La calificación de maquinabilidad de un material intenta cuantificar la maquinabilidad de varios materiales. Se expresa como un porcentaje o un valor normalizado . El Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) determinó las calificaciones de maquinabilidad para una amplia variedad de materiales ejecutando pruebas de torneado a 180 pies de superficie por minuto (sfpm). ^[9] Luego, asignó arbitrariamente al acero Brinell B1112 de 160 una calificación de maquinabilidad del 100%. ^[9] La calificación de maquinabilidad se determina midiendo los promedios ponderados de la velocidad de corte normal, el acabado de la superficie y la vida útil de la herramienta para cada material. ^[9] Tenga en cuenta que un material con una calificación de maquinabilidad menor al 100% sería más difícil de mecanizar que el B1112 y el material con un valor mayor al 100% sería más fácil.

Clasificación de maquinabilidad = (velocidad de mecanizado de la pieza de trabajo dando una vida útil de la herramienta de 60 minutos)/(velocidad de mecanizado del metal estándar)

Las clasificaciones de maquinabilidad se pueden utilizar junto con la ecuación de vida útil de la herramienta de Taylor , para determinar las velocidades de corte o la vida útil de la herramienta. Se sabe que B1112 tiene una vida útil de la herramienta de 60 minutos a una velocidad de corte de 100 pies por minuto. Si un material tiene una clasificación de maquinabilidad del 70%, se puede determinar, con los datos conocidos anteriormente, que para mantener la misma vida útil de la herramienta (60 minutos) la velocidad de corte debe ser de 70 pies por minuto (suponiendo que se utilice la misma herramienta). ^[1]$Estilo de visualización VT^{n}=C$

El contenido de carbono del acero afecta en gran medida su maquinabilidad. Los aceros con alto contenido de carbono son difíciles de mecanizar porque son fuertes y pueden contener carburos que desgastan la herramienta de corte. En el otro extremo del espectro, los aceros con bajo contenido de carbono son problemáticos porque son demasiado blandos. Los aceros con bajo contenido de carbono son "gomosos" y se adhieren a la herramienta de corte, lo que da como resultado un filo acumulado que acorta la vida útil de la herramienta. Por lo tanto, el acero tiene la mejor maquinabilidad con cantidades medias de carbono, aproximadamente el 0,20 %. ^[5]

A menudo se añaden al acero cromo, molibdeno y otros metales de aleación para mejorar su resistencia. Sin embargo, la mayoría de estos metales también reducen la maquinabilidad.

Las inclusiones en el acero, especialmente los óxidos, pueden desgastar la herramienta de corte. El acero mecanizable debe estar libre de estos óxidos.

Existe una variedad de productos químicos, tanto metálicos como no metálicos, que se pueden agregar al acero para facilitar su corte. Estos aditivos pueden funcionar lubricando la interfaz entre la herramienta y la viruta, disminuyendo la resistencia al corte del material o aumentando la fragilidad de la viruta. Históricamente, el azufre y el plomo han sido los aditivos más comunes, pero el bismuto y el estaño son cada vez más populares por razones ambientales.

El plomo puede mejorar la maquinabilidad del acero porque actúa como lubricante interno en la zona de corte. ^[10] Dado que el plomo tiene poca resistencia al corte, permite que la viruta se deslice más libremente más allá del borde de corte. Cuando se agrega en pequeñas cantidades al acero, puede mejorar en gran medida su maquinabilidad sin afectar significativamente la resistencia del acero.

El azufre mejora la maquinabilidad del acero al formar inclusiones de baja resistencia al corte en la zona de corte. Estas inclusiones son elevadores de tensión que debilitan el acero, lo que le permite deformarse con mayor facilidad.

Los aceros inoxidables tienen una maquinabilidad deficiente en comparación con el acero al carbono normal porque son más duros, gomosos y tienden a endurecerse por deformación muy rápidamente. ^[5] Un ligero endurecimiento del acero puede reducir su gomosidad y facilitar su corte. Los grados AISI 303 y 416 son más fáciles de mecanizar debido a la adición de azufre y fósforo. ^[11]

El aluminio es un metal mucho más blando que el acero y las técnicas para mejorar su maquinabilidad suelen basarse en hacerlo más frágil. Las aleaciones 2007, 2011 y 6020 tienen muy buena maquinabilidad. ^[11]

Los termoplásticos son difíciles de mecanizar porque tienen una conductividad térmica deficiente. ^[10] Esto genera calor que se acumula en la zona de corte, lo que degrada la vida útil de la herramienta y derrite localmente el plástico. Una vez que el plástico se derrite, simplemente fluye alrededor del borde de corte en lugar de ser eliminado por este. La maquinabilidad se puede mejorar utilizando un refrigerante de alta lubricidad y manteniendo el área de corte libre de acumulación de virutas.

Los compuestos a menudo tienen la peor maquinabilidad porque combinan la pobre conductividad térmica de una resina plástica con las cualidades resistentes o abrasivas del material de fibra (vidrio, carbono, etc.).

La maquinabilidad del caucho y otros materiales blandos mejora si se utiliza un refrigerante de muy baja temperatura, como el dióxido de carbono líquido. Las bajas temperaturas enfrían el material antes de cortarlo, de modo que no se puede deformar ni pegar al filo de corte. Esto implica un menor desgaste de las herramientas y un mecanizado más sencillo.

• Vibraciones de mecanizado

• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materiales y procesos en la fabricación (novena edición). Wiley. ISBN 0-471-65653-4.
• Schneider, George Jr (2002). Aplicaciones de herramientas de corte (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 30 de noviembre de 2006.

• Calificaciones de maquinabilidad de una publicación de la industria