JORNADAS SAM / CONAMET / SIMPOSIO MATERIA 2003
0605
RENDIMIENTO DE BROCAS HELICOIDALES DE ACERO AISI M2 NITRURADAS POR PLASMA DC-PULSADO
D. Martinez Krahmera, D. Russoa , D. Egidia, M. G. Traversoa , P. Corengiaa y A. Cabob
a Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica (CEMEC), Instituto Nacional de Tecnología Industrial
(INTI ), C.C. 157, (B1650WAB) San Martín, Buenos Aires, Argentina. mkrahmer@inti.gov.ar b Ionar S.A., Buenos Aires, Argentina. ionar@uolsinectis.com.ar
RESUMEN En este trabajo se investigó el rendimiento de brocas helicoidales DIN 338 de acero AISI M2 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. Se analizó también la relación existente entre algunas variables geométricas de las brocas (Angulo de punta, ángulo de incidencia y espesor de núcleo) y su rendimiento. 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. Los resultados obtenidos contrastadas las pruebas de rendimiento de los dos conjuntos de brocas mediante el método t-test, ponen en evidencia que las brocas de acero AISI M2 nitruradas presentan diferencias significativas en su rendimiento, perforando en promedio un número de orificios superior en un 51,5% en referencia con las brocas sin tratamiento. Además, se comprobó que para las brocas sin nitrurar existe una relación individual entre cada una de las variables geométricas estudiadas y su rendimiento.
Palabras claves: brocas helicoidales, acero AISI M2, ensayos de rendimiento, nitruración iónica.
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, 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].
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Es por ello que, ante la no existencia de antecedentes en Argentina de un trabajo que cuantifique las mejoras introducidas por este tratamiento aplicado a brocas de acero rápido, con el agregado de poder utilizar una técnica totalmente desarrollada y disponible en Argentina, y con el objetivo adicional de sentar las bases para futuros desarrollos, como ser los tratamientos superficiales dúplex de este tipo de brocas (Nitruración iónica + revestimiento de nitruro de titanio por PVD), motivaron la ejecución del presente trabajo.
Durante el mismo se estudiaron las variables geométricas que pudieran influir sobre el rendimiento de las herramientas (Angulo de punta ε, ángulo de incidencia α y espesor de núcleo s) 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. METODOLOGIA 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.
Tabla I
Parámetro
Valor
Tiempo de nitruración
30 min.
Voltaje entre electrodos Densidad de corriente
750 V 1,03 mA. cm-2
Atmósfera
0,6 hPa
Temperatura
773 K
Ton - toff
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.
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.
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 variables angulares por medio del goniómetro y el espesor de núcleo con el micrómetro incorporado.
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 (Cada agujero de
18mm de profundidad fue mecanizado en tres etapas,
descargando viruta luego de haber profundizado 6mm
en cada una).
Tabla II
D Vc
A
H
E
L
(mm) (m/min) (mm/v) (mm) (mm) (mm)
6
27
0,15 18
7
58
2.3 Procedimiento de ensayo y resultados 2.3.1 Control dimensional de las brocas Con el objeto de correlacionar 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 ε, el ángulo de incidencia α y el espesor de núcleo s, siguiendo las pautas establecidas por DIN 1414-1[9] y DIN 1414-2[10] (Ver Fig. 1).
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 410x410x50mm, debidamente escuadrada y fresada por ambos frentes.
Como paso previo a la realización de los agujeros se efectuaron centros-guía utilizando broca de centro
Fig. 1: Variables geométricas que pueden influir sobre el rendimiento de la broca.
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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.
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).
Resultados para las mediciones de las brocas Promedio Desvío estándar
Tabla III
Angulo Angulo de
de punta incidencia
ε (°)
α (°)
120,6
14,1
±1
± 0,8
Espesor de núcleo s (mm)
1,23 ± 0,1
Tipo de broca
Nop
Sin nitrurar
118,5
Nitruradas 179,5
Tabla IV σ % Va n
± 38 2044,3 6 ± 48 7436,3 6
to -3,28
t 0.05,10 1,812
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, casi sin previo aviso [11]. De ahí la dificultad para adoptar un criterio de interrupción de ensayo cuando se mide la evolución del desgaste de la faja de abrasión VB 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 modo de ejemplo, en la Fig. 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).
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 (Ver Figs. 3, 4 y 5).
180
160
Número de orificios
Ancho de la faja de desgaste VB (mm)
0,4
Broca 24 Sin nitrurar
0,3 0,2
140
120
100
Brocas sin nitrurar
80
R2 = 0,82166
0,1
0,0
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Número de orificios
Fig. 2: Curva típica de desgaste.
El ancho de la faja de desgaste VB fue medido a intervalos de tiempo constante, sobre ambas planos de incidencia, en correspondencia con 2/3 de la longitud de los filos cortantes a partir del centro de la broca. 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
Número de orificios
60 119,0
119,5 120,0 120,5 121,0 121,5
Angulo de punta ε (°)
122,0
Fig. 3: N° orificios vs ángulo de punta.
180
Brocas sin nitrurar
160
R2 = 0,87425
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 α (°)
Fig. 4: N° orificios vs ángulo de incidencia.
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Número de orificios
180
Brocas sin nitrurar
5. REFERENCIAS
160
R2 = 0,91123
[1] H.K. Tönshoff, W. Spintig, W. König and A.
Neises, Machining of holes and developments in
140
drilling technology, Annals of the CIRP, Vol.
120
43/2/1994, pp. 551-561.
100
80
60
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
Espesor de núcleo s (mm)
Fig. 5: N° orificios vs espesor de núcleo.
[2] Sandvik Coromant, “El mecanizado moderno – Manual práctico”, Departamento de ediciones técnicas de Sandvik Coromant, Suecia, 1994, pp. III – 7.
[3] B. Edenhofer, Physical and metallurgical aspects of ionitriding, Heat treatment of metals, 1 (1974), pp. 23.
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 0m/min en el centro hasta 27m/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 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 (Ver Fig.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 0,1mm en el agujero 168 a 0,4mm 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 ε, de incidencia α y espesor de núcleo s) y su rendimiento, en los rangos obtenidos para cada una estas variables.
La regresión lineal con mejor coeficiente de correlación para las brocas sin nitrurar correspondió a la variable geométrica espesor de núcleo s.
El rendimiento para las brocas sin nitrurar aumenta cuando aumentan el ángulo de punta ε o el ángulo de incidencia α, mientras que disminuye a medida que aumenta el espesor del núcleo s.
En el caso de las brocas nitruradas no se desprende ninguna relación entre las variables geométricas y el rendimiento de las mismas.
[4] T. Bell and Y. Sun, Load bearing capacity of plasma nitrided steel under rolling-sliding contact, Surface engineering, 6 (2) (1990), pp. 133.
[5] M. Pessin., M. Tier, T. Strohaecker, A. Bloyce, Y. Sun and T. Bell, The effects of plasma nitriding process parameters on the wear characteristics of AISI M2 tool steel, Tribology letters, 8 (2000), pp. 223228.
[6] A. da Silva Rocha, T Strohaecker and T. Hirsch, Effect of different surface states before plasma nitriding on properties and machining behavior of M2 high speed steel, Surface and coatings technology, 165 (2003), pp. 176-185.
[7] A. da Silva Rocha, T. Strohaecker, V. Tomala and T. Hirsch, Microestructure and residual stresses of a plasma-nitrided M2 tool steel, Surface and coatings technology, 115 (1999), pp. 24-31.
[8] Machinability Data Center, Machining Data Handbook, Third edition, Metcut Research Associates Inc., Cincinatti, 1980, pp. 12-71.
[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] D.Ferraresi, Fundamentos da usinagem dos metais, Editora Edgard Blücher Ltda., Sao Paulo, Brasil, 1995, pp. 410-422 , 439-441.
[12] A. Bruno, 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.
AGRADECIMIENTOS Al Dr. Mikel Zatarain de la Asociación de Investigación Tekniker, España. Este trabajo fue financiado por el Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina.
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