Herramientas de carburo: sólidas como una roca

May 16, 2023

Los maquinistas jubilados que lean esto podrían recordar las piezas de carburo Carboloy 883 afiladas a mano que yacen polvorientas y sucias en la parte trasera de sus cajas de herramientas. En comparación con las brocas de acero de alta velocidad que estos antiguos operadores de Cincinnati Milacron y Davenport utilizaron, la adopción generalizada del carburo de tungsteno en el pasado significó avances y velocidades más rápidos, una vida útil más larga de la herramienta, una mayor calidad de las piezas y una pila más grande de piezas. en el banco al final de cada turno.

Los tiempos han cambiado, al igual que el carburo, más propiamente conocido como carburo de tungsteno o, a veces, carburo cementado. No exploraremos aquí su larga historia, excepto para decir que el cumpleaños número 100 de este, el más importante de todos los materiales para herramientas de corte, se acerca y, como ocurre con todos los centenarios, nos corresponde evaluar si es hora de dejar a este veterano del taller mecánico a pastar. .

Al contrario, dijeron una gran cantidad de fabricantes de herramientas de corte; Cada uno de los proveedores entrevistados para este artículo está totalmente de acuerdo en que el carburo tiene una vida larga y productiva por delante.

"El uso de carburo sólido está aumentando y creciendo enormemente", afirmó Thomas Raun, director técnico de Iscar USA, Arlington, Texas. "Por supuesto, los sistemas indexables e intercambiables disfrutan de una gran parte del pastel, pero todavía hay una gran cantidad de aplicaciones en las que no se puede reemplazar una fresa o una broca de carburo sólido".

La tecnología de sustratos y recubrimientos continúa avanzando, permitiendo herramientas cada vez más capaces que mejorarán significativamente la eficiencia y la rentabilidad de la industria del mecanizado. Esto es según Sarang Garud, gerente de producto de Walter USA LLC, Waukesha, Wisconsin. “Dicho esto, esperamos ver más aluminio utilizado en la industria automotriz y otras industrias, por lo que el diamante policristalino (PCD) también crecerá bastante. aunque el carburo seguirá siendo el número uno”.

Y Steve Lind, vicepresidente de herramientas redondas sólidas para América de Sandvik Coromant, Mebane, Carolina del Norte, dijo que su empresa espera ver un crecimiento continuo en el mercado de carburo sólido en el futuro previsible. “Atribuyo mucho de esto a las mayores capacidades de diseño de los fabricantes de herramientas de corte, junto con equipos de rectificado más avanzados. El resultado es una amplia selección de productos que permiten a la industria aprovechar al máximo la sofisticada tecnología de mecanizado actual”.

Esto es sólo una muestra del entusiasmo general por las herramientas de corte de carburo sólido y las ganancias de productividad que aportan. A pesar de la competencia, los expertos de Kennametal, Ingersoll Cutting Tools, Horn USA, Ceratizit y Scientific Cutting Tools coincidieron en que el uso del carburo seguirá prosperando durante la próxima década y más allá.

Pero como aludió Garud de Walter, ¿qué pasa con las herramientas de corte avanzadas hechas de PCD y nitruro de boro cúbico (CBN)? ¿Y qué pasó con todo el alboroto sobre las fresas de cerámica sólida, con brillantes fotografías de revistas que muestran llamas saliendo de piezas de trabajo de Inconel que parecen significar una condena segura para el carburo, al menos en lo que respecta al fresado de superaleaciones? ¿Seguramente el carburo no puede competir con estos materiales para herramientas de corte ultraduros y resistentes a la abrasión?

“La cerámica sólida se puede usar en lugar del carburo sólido en algunas aplicaciones, especialmente para desbaste”, dijo Danny Davis, ingeniero senior de Kennametal Inc, con sede en Pittsburgh. “Sin embargo, el carburo generalmente todavía se necesita junto con la cerámica para completar muchas piezas. . Además, la cerámica requiere velocidades superficiales muy altas para plastificar el material adecuadamente y hacer que las herramientas funcionen como deberían. No todos los centros de mecanizado tienen las revoluciones de husillo necesarias, ni la rigidez. Esa ecuación cambiará a medida que nosotros y otros proveedores introduzcamos fresas de mango cerámico en diámetros más grandes y desarrollemos cerámicas capaces de hacer frente a parámetros operativos menos estrictos. Aun así, no siempre es la solución perfecta”.

Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, es otro fabricante de herramientas de corte activo en el ámbito del fresado cerámico. Y aunque el Dr. Uwe Schleinkofer, jefe de investigación y desarrollo del Grupo Ceratizit, estuvo de acuerdo en que el desarrollo de la cerámica está en curso, no cree que esto suponga un desafío para las herramientas de corte de carburo sólido en el corto plazo. "La cerámica tiene un lugar y, a menudo, es la mejor solución en condiciones secas y velocidades de husillo aceleradas, pero su uso en el futuro seguirá estando en estas aplicaciones específicas".

En cuanto a las herramientas PCD, Todd White, director de ventas de Scientific Cutting Tools (SCT) Inc., Simi Valley, California, se hizo eco de lo que otros dijeron aquí: ahora que los fabricantes de automóviles y especialmente la industria aeroespacial están cambiando más materiales a compuestos, los fabricantes de herramientas de corte deberían esperar Mayor demanda de productos PCD, así como de herramientas de carburo sólido con recubrimientos especiales similares al diamante (DLC) para ayudar a cortarlos.

"Las piezas de trabajo de fibra de carbono y aluminio siguen prevaleciendo", dijo Ed Woksa, director de gestión de productos y marketing de Ingersoll Cutting Tools Inc., Rockford, Illinois. “Debido a esto, las herramientas PCD y DLC continuarán reemplazando las fresas y brocas de carburo sólido en algunas aplicaciones compuestas y no ferrosas, particularmente en la producción de alto volumen. Como sabe cualquiera que lo haya usado, el PCD permite velocidades de corte significativamente más altas en comparación con el carburo sólido, lo que conduce a una mayor productividad. Esto es especialmente importante en los equipos CNC modernos, donde los husillos más rápidos y la tecnología de software anticipativo permiten un mayor rendimiento. Cuando se aplican correctamente, las herramientas de PCD también brindan una vida útil mucho más larga en estos materiales, lo que brinda muchas oportunidades para una fabricación sin complicaciones”.

Los expertos en herramientas de Sandvik Coromant también lo creen. "Cuando la cerámica y otros materiales avanzados están diseñados para funcionar bien, normalmente lo hacen", dijo Lind. “A menudo, se utilizan junto con herramientas de carburo sólido para desbaste. En ambos casos, esto apunta al uso creciente por parte de la industria de herramientas de corte más específicas para materiales y aplicaciones. Esto es particularmente cierto para los grupos de materiales de superaleaciones resistentes al calor (HRSA), pero también en compuestos y para aplicaciones de gran volumen donde la vida útil constante de la herramienta y el costo por pieza son críticos”.

Al igual que sus pares, Davis de Kennametal cree que las herramientas de corte para materiales específicos tienen sentido. Sí, las herramientas de uso general o las llamadas “GP” tienen su lugar, particularmente para talleres y otros que mecanizan diversos materiales y geometrías de piezas de trabajo. Sin embargo, son las herramientas adaptadas a una aplicación específica las que a menudo proporcionan el mayor retorno de la inversión.

"Las herramientas de alto rendimiento significan menos cambios de herramientas, una vida útil más larga, tiempos de ciclo más rápidos y procesos más predecibles", dijo Davis. “Cuando se suma todo, el costo ligeramente mayor de una de estas herramientas es muy fácil de justificar. Y contrariamente a lo que muchos podrían pensar, las herramientas de corte representan una fracción tan pequeña del costo total de fabricación de una pieza que sería una pena no maximizar el rendimiento de una máquina herramienta CNC tanto como sea posible utilizando las herramientas adecuadas”.

White, Lind y Davis señalaron que gran parte de esta demanda de PCD y otras herramientas de corte para materiales específicos provendrá del mercado automotriz, donde la producción de vehículos eléctricos (EV) seguirá aumentando a medida que el mundo se aleje de los motores de combustión interna (ICE). . Duane Drape, gerente nacional de ventas de Horn USA, Inc., Franklin, Tennessee, ve prácticamente la misma tendencia, aunque moderó sus comentarios al afirmar que los híbridos de gas y electricidad probablemente sirvan como puente hacia los vehículos eléctricos completos.

"De hecho, los vehículos eléctricos están empezando a tener un efecto en la cantidad total de carburo que utilizan los fabricantes de automóviles", dijo. “Sin embargo, los vehículos eléctricos siguen siendo una porción muy pequeña del mercado y creo que probablemente falten dos décadas para que ocupen una porción significativa. Hasta entonces, la necesidad de producir motores de combustión interna, híbridos y vehículos eléctricos al mismo tiempo probablemente aumentará la demanda de herramientas de corte de todo tipo”.

Sin embargo, cuando el cambio entre en pleno efecto, la disminución podría ser dramática. Drape y otros explicaron que, mientras que un motor de gasolina típico puede contener de 120 a 140 componentes y requerir de 30 a 40 herramientas de carburo únicas para mecanizar, un vehículo eléctrico reduce ambos quizás en un 80 por ciento o más. Y si bien se trata de una cifra grande, “el mayor impacto en el uso de carburo provendrá de las transmisiones”, afirmó. “Estos contienen muchas más piezas que probablemente serán innecesarias a medida que los fabricantes de automóviles hagan la transición a los vehículos eléctricos. En comparación, los motores son patatas pequeñas”.

Schleinkofer, del grupo Ceratizit, lo apoyó citando estudios europeos que comparaban el número de componentes de un motor tradicional con uno totalmente eléctrico para determinar el volumen y la cantidad de materiales de la máquina. "Los resultados mostraron que, para los vehículos con sistema de propulsión eléctrica, había un 70 por ciento menos de mecanizado en comparación con los automóviles tradicionales", dijo. "Esto afectará significativamente a la industria del corte de metales".

Sin embargo, Walter Tools sugirió que el mayor porcentaje de componentes de aluminio de un vehículo eléctrico también ejerce presión sobre el hierro fundido, el favorito de la industria automotriz desde hace mucho tiempo. Irónicamente, esta tendencia reducirá el consumo de herramientas cerámicas y especialmente de CBN en este sector, estas últimas pueden soportar velocidades de corte mucho más altas en hierro fundido y aceros templados y, por lo tanto, han ganado cuota de mercado en los últimos años. Una vez más, se espera que el carburo salga victorioso.

"El carburo tiene una combinación única de dureza y tenacidad que es difícil de igualar en otros materiales para herramientas de corte", dijo Garud. "Cuando se combina con los recubrimientos avanzados que tenemos actualmente y que seguiremos desarrollando, ofrece una gama de aplicaciones muy amplia que no tiene igual".

Aparte de los cambios en la tecnología automovilística, también entran en juego otros factores. Dennis Roepsch, director de ingeniería de diseño de Ingersoll Cutting Tools, destacó las mejoras en el moldeo por inyección de plástico, la fabricación aditiva y la tecnología de fundición a la cera perdida, y señaló que “algunos componentes de la pieza de trabajo ya no requieren mecanizado o tienen requisitos mínimos de mecanizado. Por ejemplo, los colectores de admisión de aluminio suelen ser sustituidos por plásticos compuestos moldeados. Además, las piezas de trabajo con una forma casi neta reducen la cantidad de material que es necesario desbastar, lo que reduce aún más el uso de carburo”.

La mayoría de los expertos aquí mencionaron un corolario similar en el ámbito de la fabricación aditiva. Aquí, las piezas impresas en 3D emergen del tanque de resina o de la cámara de construcción sin estar del todo completas. Se deben mecanizar superficies críticas, escariar o perforar orificios e incluso ajustar a las especificaciones características de tolerancia relativamente abierta. Debido al valor relativamente alto de estas piezas (algunas de las cuales tardan horas o días en imprimirse), es probable que las herramientas de corte de carburo sean la solución preferida para terminarlas.

"Además, cualquier pieza impresa en 3D que necesite un hilo probablemente requerirá un viaje al centro de mecanizado o al torno", dijo White de la SCT. "Por mi parte, la forma más rentable de lograrlo, especialmente teniendo en cuenta las menores cantidades de producción asociadas con la impresión 3D, es con una fresadora de roscas de carburo sólido".

Esto es cierto para las piezas hechas tanto de metal como de polímero, pero Raun de Iscar dijo que las primeras serán las que presentarán el mayor desafío para los fabricantes de herramientas de corte. “Las tecnologías aditivas como el lecho de polvo metálico y el chorro de aglutinante aumentan el potencial de aleaciones completamente nuevas, que son a la vez más fuertes y resistentes al desgaste que los metales existentes. He oído hablar de tungsteno mezclado con aluminio, por ejemplo, que imagino que sería bastante difícil de mecanizar. A medida que más y más de estos materiales híbridos entren en línea, las empresas de herramientas de corte tendrán que pagar impuestos para encontrar soluciones capaces de mecanizar esos materiales de manera productiva”.

Es Drape at Horn quien quizás mejor resume la situación, afirmando que “la impresión 3D con el tiempo quitará algo de negocio a los talleres mecánicos y a los fabricantes de herramientas de corte, pero hasta que sea capaz de proporcionar mayor precisión y calidad de superficie, seguirá necesitando herramientas de metal duro para trabajos de acabado”.

La conclusión es clara: aunque la impresión 3D podría eventualmente lograr lo que muchos en la industria han temido desde su inicio hace más de tres décadas (es decir, una menor demanda de fabricación tradicional), es más probable que lo aditivo y lo sustractivo se complementen.

Según Garud de Walter Tools, es probable que ambos también se necesiten mutuamente en otros aspectos. Como ocurre con todas las nuevas tecnologías, sugirió que puede resultar difícil ver el universo de posibilidades y efectos que la impresión 3D tendrá en las herramientas de carburo sólido a largo plazo. Y, sin embargo, los aditivos ya han adquirido la capacidad de imprimir componentes de titanio e Inconel para la industria aeroespacial y otras industrias, y lo han hecho hasta ahora más rápido de lo que la mayoría hubiera esperado. Las herramientas de corte impresas parecen una posibilidad.

"Si es posible, el carburo impreso en 3D abrirá nuevas posibilidades para el diseño de herramientas y nos dará la posibilidad de personalizarlas rápidamente para aplicaciones específicas", afirmó. "Ciertamente tiene el potencial de cambiar el campo de juego para la industria en general, brindando ventajas a aquellos que puedan utilizarlo de manera efectiva".

Ceratizit no estuvo de acuerdo, al menos desde el punto de vista de la producción. "Tenga en cuenta que nosotros y otros presionamos las inserciones en dos segundos, por lo que no veo cómo funcionaría esto con la impresión 3D", dijo Schleinkofer. “El proceso es demasiado caro. Además, tenga en cuenta que no se puede producir carburo cementado denso mediante sinterización por láser. Sólo se pueden imprimir piezas verdes, por lo que siempre es necesario ir al horno para sinterizar después del proceso de impresión 3D. Sin embargo, la impresión 3D nos proporciona más flexibilidad a la hora de implementar los requisitos del cliente y abre nuevas posibilidades de diseño, que podemos utilizar para ofrecer a nuestros clientes soluciones individuales altamente optimizadas en un tiempo mínimo. Es una solución ideal para volúmenes pequeños y componentes de alta complejidad”.

Woksa de Ingersoll pintó un cuadro similar. Señaló que, si bien la tecnología para imprimir en 3D herramientas indexables y de carburo sólido está en desarrollo, es prácticamente imposible competir con la tecnología actual de producción de carburo. Sin embargo, el desarrollo de productos de insertos de carburo se verá afectado, ya que se pueden producir insertos y herramientas de carburo especiales y en lotes pequeños de manera más rápida y económica si no se requiere un juego de matrices. "Además, existe el potencial de desarrollar capacidades únicas, como orificios de paso de refrigerante con una precisión milimétrica que de otro modo sería imposible", dijo.

La respuesta de Sandvik Coromant fue muy parecida a la de Ingersoll. "Al igual que otros fabricantes de herramientas de corte, estamos en la etapa de desarrollo, aunque esperamos que la impresión 3D contribuya a nuestra oferta de maneras únicas y muy productivas", dijo Lind. “Esto podría ser desde el punto de vista de la creación de prototipos, como cabría esperar, pero también existe el potencial para soluciones de ingeniería avanzadas y complejas. Como dije, todavía es temprano en el juego, pero estad atentos”.

Estar atento es un buen consejo para cualquier tecnología, y las herramientas de corte de carburo no son una excepción. White de SCT nos asegura que los sustratos de carburo y los recubrimientos de herramientas seguirán evolucionando para seguir el ritmo de los avances de los materiales.

Y Drape of Horn dijo que el carburo y las herramientas de corte de carburo siempre están mejorando, "pero a menos que haya algún mineral nuevo que se encuentre en abundancia y sea relativamente fácil de conseguir, será a pequeños pasos en lugar de a pasos agigantados". Sugirió que estas mejoras vendrán principalmente en forma de preparaciones de bordes y recubrimientos más avanzados que el carburo, aunque los tres son pilares necesarios de las herramientas de corte de alto rendimiento.

Davis, de Kennametal, está totalmente de acuerdo y agradece los avances en software informático y tecnología de máquinas herramienta durante las últimas dos décadas de mejora continua. Teniendo esto en cuenta, también cree que la industria de herramientas de carburo verá algunos cambios fundamentales en el futuro cercano. "Todos nosotros continuamos desarrollando mejores geometrías de corte y recubrimientos, pero la clave será reducirlos al nivel micro en lugar del macro", dijo.

Los fabricantes de herramientas de corte están utilizando el análisis de elementos finitos (FEA) para comprender cuánto calor y fuerza se generarán durante el corte y determinar los ángulos de hélice óptimos y la formación de viruta mucho antes de que se fabrique la herramienta. Las máquinas herramienta también están mejorando, y muchos proveedores utilizan rectificadoras CNC capaces de mantener una precisión de 1 μm o mejor. Ambos permiten producir herramientas de corte que, no hace mucho, eran imposibles de fabricar. Davis dijo: "Desde que comencé con Kennametal hace casi cuatro décadas, la tecnología ha avanzado a pasos agigantados".

Raun de Iscar tiene una trayectoria igualmente larga en el negocio de herramientas de corte. "En comparación con las varillas de carburo que estaban disponibles cuando entré en la industria, la dureza y la densidad han aumentado a un nivel muy alto", dijo. “Debido a esto, puede resistir el desgaste y las fuerzas de corte mucho mejor que antes. Combine eso con los recubrimientos avanzados de hoy y, como otros han mencionado, las geometrías y preparaciones de bordes que ahora están disponibles, y obtendrá herramientas de corte mucho más capaces que las que estaban disponibles anteriormente. Siento que esos avances continuarán a medida que mejore la tecnología detrás de ellos”.

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