ISSN 1517-7076
Matéria, v. 9, n. 2, pp. 119 – 124, 2004
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10373
Rendimiento de Brocas Helicoidales de Acero AISI M2 Nitruradas por Plasma DC-Pulsado y sin Nitrurar
D. Martinez Krahmera, D. Russoa , D. Egidia, E. De Las Heras , P. Corengiaa y A. Cabob
a Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI ), C.C. 157, (B1650WAB) San Martín, Buenos Aires, Argentina. e-mail: mkrahmer@inti.gov.ar b Ionar S.A., Buenos Aires, Argentina. e-mail: ionar@uolsinectis.com.ar
RESUMEN
En este trabajo se investigó el rendimiento de brocas helicoidales comerciales DIN 338 de acero AISI M2 de 6mm de diámetro tratadas por nitruración iónica, por comparación con brocas sin este tratamiento, efectuando para ese fin pruebas de duración de filo de brocas pertenecientes a ambos grupos.
Las herramientas fueron nitruradas en un equipo industrial empleando una mezcla de gases compuesta por 25% N2 + 75% H2, bajo una descarga DC-pulsada durante un intervalo de tiempo de 30 min.
Los ensayos de rendimiento fueron realizados mediante pruebas de desgaste por agujereado en un centro de mecanizado horizontal de control numérico.
Los resultados obtenidos con las pruebas de rendimiento de los dos conjuntos de brocas, contrastados mediante el método t-test, ponen en evidencia que las brocas de acero AISI M2 nitruradas presentan diferencias significativas en su rendimiento. El promedio de orificios perforados es superior en un 51,5% en relación a las brocas sin tratamiento.
Palabras claves: brocas helicoidales, acero AISI M2, ensayos de rendimiento, nitruración iónica.
ABSTRACT
In the present work the cutting performance of twist drill made of AISI M2 steel as-received and DC-pulsed plasma nitriding was investigated.
The samples were ion nitrided in an industrial equipment using a gas mixture consisting of 25%N2 + 75%H2 under a pulsed DC glow discharge during 30 min at 773 K.
The experiments were conducted to investigated the drill life of both as-received and plasma nitrided in the drilling of AISI 4140 low alloy steel.
The experimental results analyzed by the t-test method show that the DC-pulsed plasma nitrided drills have better cutting performance than as-received M2 steel drills.
Keywords: Twist drill, Cutting performance, AISI M2 steel, Ion nitriding.
1 INTRODUCCIÓN
Junto con el torneado, el agujereado representa una de las operaciones por arranque de viruta más importantes, comprendiendo a escala mundial alrededor del 30% de todas las operaciones empleadas en el corte de metales [1].
Como consecuencia de este liderazgo, surge la necesidad de desarrollar brocas construidas con nuevos materiales, o cuando se emplean aquellos ya existentes, producirles mejoras mediante tratamientos que modifiquen sus características superficiales.
El acero AISI M2 corresponde al segundo grupo citado, siendo el primer material con elevado rendimiento de corte utilizado para la fabricación de brocas, herramienta inventada por la “Moses Twist Drill and Machine Company” en el año 1820 en los Estados Unidos.
En la actualidad, a pesar de su limitada capacidad de corte cuando se lo compara con otros materiales usados para la fabricación de herramientas (Como el metal duro o el metal duro revestido), presenta dos ventajas muy importantes, que consisten, la primera, en ser el único que puede ser trabajado en forma económica con los procesos tradicionales de arranque de viruta como son el agujereado, torneado,
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fresado y rectificado, y la segunda, que se trata del material de menor costo usado para la fabricación de herramientas para arrancar viruta.
Estas razones facilitaron que no se detuvieran las investigaciones para mejorar su capacidad de corte y como resultado de las mismas durante el transcurso del siglo veinte se produjeron dos hechos tecnológicos relevantes que promovieron un enorme avance en esa dirección: por un lado, la producción de lingotes de acero rápido empleando técnicas pulvimetalúrgicas, que garantizan una composición química, micro estructura y distribución de carburos homogénea, y por otro lado la utilización de la técnica de recubrimiento PVD para revestir las herramientas de acero rápido con nitruro de titanio, revestimiento que por su bajo coeficiente de rozamiento, pequeña conductividad térmica y elevada dureza, permitió incrementar en forma sensible las condiciones de corte (Fundamentalmente la velocidad de corte), con el consecuente aumento de la productividad, además de producir una fuerte mejora en la calidad de los orificios en términos de su acabado superficial y circularidad [1].
Por todos los motivos expuestos, el acero rápido continúa dominando el escenario entre los materiales empleados para la fabricación de herramientas de corte, superando todavía el 50% [2], y constituyendo para algunos tipos de herramientas (Brochas, creadores de engranajes), la única alternativa.
Las mejoras tecnológicas citadas aplicadas a los aceros rápidos producen, sin embargo, un aumento significativo del costo de las herramientas, propiciando el empleo de otras técnicas más económicas, como la nitruración iónica, para lograr mejoras en el rendimiento de las herramientas.
La nitruración iónica es un método termoquímico asistido por plasma ampliamente usado para, entre otros progresos, incrementar la resistencia al desgaste de aceros de baja aleación, aceros inoxidables y aceros para herramientas [3, 4].
Es por ello que, ante la no existencia de antecedentes en Argentina de un trabajo que cuantifique las mejoras introducidas por este tratamiento, con el agregado de poder utilizar una técnica totalmente desarrollada y disponible en nuestro país, y con el objetivo adicional de sentar las bases para futuros desarrollos, como ser los tratamientos superficiales dúplex de brocas de acero rápido (Nitruración iónica + revestimiento de nitruro de titanio por PVD), motivaron la ejecución del presente trabajo.
Durante el mismo se estudiaron las principales variables geométricas que pudieran influir sobre el rendimiento de las herramientas (Angulo de punta, ángulo de incidencia y espesor de núcleo) tal como resultaron -en las brocas sometidas a los ensayos- de su proceso de fabricación natural, se realizaron pruebas comparativas de desgaste por agujereado y por análisis de regresión lineal se establecieron las relaciones existentes entre las variables geométricas analizadas y los rendimientos resultantes.
2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1 Materiales y Diseño del Experimento
Una serie importante de autores [5-7] han indagado sobre que valores debieran usarse para los principales parámetros a utilizar durante la nitruración iónica, con el objeto de optimizar las características de desgaste de aceros AISI M2.
Como resultado de la conjunción de estos datos y la experiencia aportada por IONAR aplicada a la nitruración de aceros AISI M2, se adoptaron para el tratamiento de las brocas las condiciones indicadas en la
Tabla I:. Condiciones empleadas durante la nitruración iónica de las brocas.
Parámetro Tiempo de nitruración Voltaje entre electrodos Densidad de corriente
Atmósfera Temperatura
Ton - toff
Valor 30 min. 750 V 1,03 mA. cm-2 0,6 hPa 773 K 70 – 200 µs
Para realizar las pruebas de rendimiento mencionadas se emplearon brocas helicoidales comerciales del tipo DIN 338 de 6mm de diámetro construidas en acero AISI M2.
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La composición química nominal del acero AISI M2 utilizado fue la siguiente (peso %): 0,85 a 1%C; 6% W; 5% Mo; 4% Cr; 2% V; Fe balance.
Los ensayos de rendimiento fueron realizados sobre una placa de acero AISI 4140 de dureza Brinell promedio HB 176±10 y sus dimensiones aproximadas fueron de 410x410x50 mm debidamente escuadrada y fresada por ambos frentes
Como paso previo a la realización de los agujeros se efectuaron centros-guía utilizando broca de centro
Para que las brocas no tengan posibilidad de desviarse cuando inician el agujero. Para la realización de las pruebas de rendimiento se emplearon 6 brocas con tratamiento y otra cantidad igual de brocas tratadas por nitruración iónica (Se seleccionaron 12 de un total de 40 empleando una tabla de números aleatorios). Las variables geométricas de las brocas se midieron en un banco óptico de medición de brocas Dormer, las angulares por medio del goniómetro y el espesor de núcleo con el micrómetro.
2.2 Condiciones Operativas de las Pruebas de Rendimiento
Las pruebas de duración fueron realizadas en un Centro de Mecanizado horizontal Kearney & Trecker MM200 con control Allen & Bradley.
Las condiciones de corte fueron fijadas tomando como referencia las recomendaciones del Instituto METCUT [8], y de una serie de fabricantes de brocas de acero rápido, tanto nacionales cuanto internacionales.
Para el mecanizado de los agujeros se empleó un aceite emulsionable sintético al 5%. En la Tabla II se presentan los valores para las principales variables empleadas durante los ensayos de agujereado: diámetro de la broca D, velocidad de corte Vc, avance por vuelta A, profundidad de los orificios H, entre centro E y voladizo de la broca L respecto de la boquilla de agarre (Las pruebas de agujereado se efectuaron por etapas, con descargas de viruta por agujero cada 6mm).
Tabla II: Variables controladas de los ensayos de agujereado.
D
Vc
A
(mm) (m/min) (mm/v)
6
27
0,15
H (mm)
18
E (mm)
7
L (mm)
58
2.3 Procedimiento de Ensayo y Resultados
2.3.1 Control Dimensional de las Brocas
Con el objeto de correlacionaron algunas de las variables geométricas de las brocas con su rendimiento, previendo su posible influencia sobre el rendimiento de las mismas, se midieron en todos los casos el ángulo de punta e, el ángulo de incidencia a y el espesor de núcleo s, siguiendo las pautas establecidas por DIN 1414-1 [9] y DIN 1414-2 [10] (Figura 1).
Figura 1: Variables geométricas principales que pueden influir sobre el rendimiento de la broca. 120
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En la Tabla III se presentan los valores promedio medidos con sus correspondientes desviaciones estándar para el conjunto de brocas ensayadas.
Tabla III: Variables geométrica
Resultados para las mediciones de las brocas
Angulo de Angulo de
punta e incidencia a
(°)
(°)
Espesor de núcleos (mm)
Promedio Desvío estándar
120,6 ±1
14,1 ± 0,8
1,23 ± 0,1
2.3.2 Pruebas de Rendimiento
Para los especialistas en herramientas de corte es un hecho conocido que cuando se emplean herramientas de acero rápido, la finalización de su vida útil puede sobrevenir en forma abrupta sin previo aviso [11]. De ahí la dificultad para adoptar un criterio de interrupción de ensayo cuando se mide la evolución de VB (Ancho de la faja de abrasión, en mm) en el plano de incidencia de la broca, conforme transcurre el ensayo.
Al inconveniente citado, durante pruebas exploratorias realizadas con ambos tipos de brocas, se adicionó la formación en todos los casos de filo recrecido. Como el mismo debe ser eliminado para no medir erróneamente la evolución de la faja de desgaste, y su eliminación en las brocas nitruradas provocaba el “astillamiento” del filo de corte, se adoptó como criterio de interrupción del ensayo de rendimiento la aparición de chillido constante durante el agujereado.
A pesar de ello y a modo de ejemplo, en la Figura 2 se presenta una curva típica de desgaste obtenida por ajuste B-Spline para la broca sin nitrurar que obtuvo el mejor rendimiento (175 orificios).
Ancho de la faja de desgaste VB (mm)
0,4
Broca 24 Sin nitrurar
0,3
0,2
0,1
0,0
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de orificios
Figura 2: Curva típica de evolución del desgaste Vb, en función de la cantidad de orificios realizados.
En las brocas sin nitrurar, pudo relevarse la evolución del ancho de la faja de desgaste VB, el cual fue medido a intervalos de tiempo constante (Cada 56 orificios), sobre ambos planos de incidencia, en correspondencia con 2/3 de la longitud de los filos cortantes a partir del centro de la broca.
121
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Se obtuvo como valor representativo del mismo, el promedio de los valores resultantes para cada uno de los dos filos de corte [12].
En la tabla IV se presentan en función del tipo de broca, el número de orificios promedio realizados, con los resultados estadísticos del t-test (Se indican por tipo de broca: el número de orificios promedio Nop; la desviación estándar σ %, la varianza Va; el número de mediciones n y los valores to y t 0.05,10).
Tabla IV: Comparación estadística de los resultados obtenidos con brocas nitruradas y sin nitrurar.
Tipo de broca Nop
σ%
Va
n
Sin nitrurar 118,5 ± 38 2044,3
6
to -3,28
t 0.05,10 1,812
Nitruradas
179,5
± 48 7436,3
6
-3,28 1,812
3 RESULTADOS
3.1 Evaluación Dimensional Las brocas evaluadas cumplen los requerimientos dimensionales de DIN 1414-1 correspondientes a
las tres variables analizadas.
3.2 Pruebas de Rendimiento Los resultados obtenidos indican no solamente un incremento promedio de un 51,5% en el número
de orificios realizados por las brocas nitruradas respecto de las sin nitrurar, sino que comparadas por el método estadístico t-test, las diferencias existentes entre los promedios de los orificios obtenidos por ambos tipos de brocas resultaron ser significativas.
Además, efectuadas las regresiones lineales entre cada una de las 3 variables geométricas medidas y el número de orificios realizados por cada una de las brocas, se obtuvieron valores de correlación importantes sólo para las brocas sin nitrurar (Figuras 3, 4 y 5).
180
160
Número de orificios
140
120
100
80
60 119.0
119.5
Brocas sin nitrurar R2 = 0,82166
120.0 120.5 121.0
Angulo de punta e (°)
121.5
122.0
Figura 3: Relación entre la cantidad de orificios vs ángulo de punta, en brocas sin nitrurar.
122
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180
Brocas sin nitrurar
R2 = 0,87425
160
Número de orificios
140
120
100
80
60 13.4 13.6 13.8 14.0 14.2 14.4 14.6 14.8 15.0 15.2
Angulo de incidencia a (°)
Figura 4: Relación entre la cantidad de orificios vs ángulo de incidencia, en brocas sin nitrurar.
180
Brocas sin nitrurar
160
R2 = 0,91123
140
Número de orificios
120
100
80
60
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
1.35
1.40
Espesor de núcleo s (mm)
Figura 5: Relación entre la cantidad de orificios vs espesor de núcleo, en brocas sin nitrurar.
Para las brocas nitruradas resultaron valores de correlación R2 inferiores en todos los casos a 0,45.
4 CONCLUSIONES
Se verificó estadísticamente que la nitruración iónica produce una mejora significativa en el rendimiento de brocas tratadas con esta técnica.
En las brocas nitruradas no fue posible medir la evolución de la faja de desgaste VB, ya que cuando se quita el filo recrecido en forma mecánica para no falsear la medición, se desprenden partes del filo cortante por su astillamiento.
Por ser la broca una herramienta rotativa, la velocidad de corte sobre el filo de la herramienta varía desde 0 m/min en el centro hasta 27 m/min sobre el diámetro exterior, motivo por el cual la faja de desgaste VB debiera crecer aproximadamente en forma triangular desde el centro hacia el borde del filo. Sin embargo
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esta situación sólo se observó en ambos tipos de brocas, cuando las mismas alcanzaron el final de su vida útil. En todas las observaciones intermedias, el ancho de la faja fue aproximadamente constante.
Se confirmó (Figura 2) tal como dice la literatura especializada [11], que el final de todas las brocas de acero rápido sobrevino en forma abrupta (En el ejemplo citado, la broca 24 pasó de tener un desgaste VB promedio de 0,1 mm en el agujero 168 a 0,4 mm luego de sólo haber realizado 7 orificios adicionales).
Se comprobó mediante análisis de regresión lineal que para las brocas sin nitrurar existe una relación individual entre algunas variables geométricas (Angulo de punta, de incidencia y espesor de núcleo) y su rendimiento, en los rangos resultantes para c/u.
La regresión lineal con mejor coeficiente de correlación para las brocas sin nitrurar correspondió a la variable geométrica espesor de núcleo.
El rendimiento para las brocas sin nitrurar aumenta cuando aumentan el ángulo de punta o el ángulo de incidencia, mientras que disminuye a medida que aumenta el espesor del núcleo.
En el caso de las brocas nitruradas no se desprende ninguna relación entre las variables geométricas y el rendimiento de las mismas.
5 AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por el Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica, del Instituto
Nacional de Tecnología Industrial (INTI), Buenos Aires, Argentina.
6 BIBLIOGRAFIA
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[9] DIN 1414-1, Technische Lieferbedingungen für Spiralbohrer aus Schnellarbeitsstahl, Teil 1: Anforderungen, Juni 1998.
[10] DIN 1414-2, Technische Lieferbedingungen für Spiralbohrer aus Schnellarbeitsstahl, Teil 2: Prüfung, Juni 1998.
[11] FERRARESI, D., Fundamentos da Usinagem dos Metais, Sao Paulo, Editora Edgard Blücher Ltda., Brasil, 1995, pp. 410-422 , 439-441.
[12] BRUNO, A., Analisi dell’Influenza del tipo de Afilatura sull’Efficienza di Punte Helicoidali, Consiglio Nazionale delle Richerche, Laboratorio per la lavorazione dei metalli, Italia, 1973, pp. 13-19.
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