Rendimiento de insertos de metal duro no recubiertos, en operaciones de torneado. La influencia de la lubricación
Germán Abate1,2, Gustavo Maceira2,3, Daniela Pérez2, Daniel Martínez Krahmer1,2
Resumen
1. Laboratorio de Control Numérico y Metrología,
En todo proceso de mecanizado, existen va- Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de
rios factores que influyen sobre el desgaste de Lomas de Zamora
la herramienta. Entre los principales podemos 2. Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica,
mencionar: el material a mecanizar, el material Instituto Nacional de Tecnología Industrial,
de la herramienta, las condiciones de corte, la 3. Cátedra Tecnología Mecánica, Facultad de
lubricación, la forma y fijación del material a Ingeniería, Universidad Nacional de Lomas de
mecanizar, el tipo de máquina-herramienta y su Zamora. mkrahmer@inti.gob.ar
estado de uso. Por todos estos motivos, la ma-
quinabilidad de los materiales ha sido y es inves-
tigada por diferentes autores.
En este trabajo en particular, se ha evaluado V15’ de 278,8m/min, es decir, un valor mayor en la incidencia de la lubricación, sobre el desgaste un 12,0% al obtenido mecanizando en húmedo.
117
de insertos, aplicados a operaciones de tornea-
do sobre barras trefiladas.
En tal sentido, resultó apropiado evaluar el Palabras claves: insertos, metal duro, no re-
rendimiento de insertos no recubiertos, en el cubiertos, desgaste en incidencia, torneado, lu-
torneado de un acero de corte libre SAE 12L14, bricación.
utilizando un criterio de desgaste sobre la super-
ficie de incidencia de VB=0,5mm con y sin lubri- 1. Introducción
cación.
A diferencia de lo que sucede en un taller de
Las barras de 38mm de diámetro, fueron fija- mecanizado, que tiene siempre entre sus ob-
das entre plato y contrapunta, con un largo ex- jetivos disminuir los tiempos de fabricación, y
puesto de 320mm.
por ese motivo utiliza insertos recubiertos, un
A partir de fijar unas condiciones de corte laboratorio de ensayo, que desea evaluar como
que garantizaron la rotura de viruta, se emplea- un material a mecanizar desgasta un inserto, o
ron, una profundidad de pasada de 1,25 mm en como resulta la influencia en el desgaste de em-
combinación con un avance de 0,125 mm/rev, y plear o no lubricante de corte, utiliza insertos no
velocidades de corte en el rango de 150 a 240 recubiertos para realizar estas pruebas.
m/min. Como herramienta de corte, se usaron Básicamente, las razones obedecen a tres
insertos de metal duro no recubierto, designa- motivos: 1) dado que estos ensayos de duración
dos como CNMG 120408 de calidad ISO P40. de filo demandan mucho tiempo de máquina y
Los resultados de los ensayos realizados, material, una manera de reducir los costos radi-
arrojaron en el torneado en seco una velocidad ca en emplear insertos que se desgastan fácil-
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mente, como es el caso de los no recubiertos, 2) de una herramienta, al tiempo de corte total
porque usar un inserto con recubrimiento signi- obtenido hasta alcanzar un desgaste predeter-
fica que dos materiales conforman la herramien- minado. Es por esta razón que muchas veces
ta de corte, cada uno con una tasa de desgaste cuando se habla de duración y desgaste, pudiera
propia [1], situación que no hace otra cosa que parecer que fueran sinónimos).
dificultar la evaluación dimensional de la zona Dando mayores precisiones, C. Haron [8]
desgastada, y 3) seguramente, en razón de lo comparó en pruebas de torneado de un acero de
comentado antes, la Norma ISO 3685 sobre “En- herramientas denominado 95MnCrW1 con una
sayos de vida para herramientas monocortantes dureza HRC23, la duración de insertos romboi-
de torneado” [2], establece exclusivamente rea- dales del tipo V de 35º con y sin recubrimiento,
lizar evaluaciones de duración, empleando cali- efectuando el mecanizando tanto en seco como
dades de insertos no recubiertos.
en húmedo (con lubricación). Los resultados ob-
La situación comentada al principio hace que tenidos mostraron que los insertos recubiertos
los grandes fabricantes de herramientas de me- presentaron una tasa de desgaste mucho menor
tal duro orienten sus insertos a calidades con que los no recubiertos. Adicionalmente se ob-
recubrimiento [3,4,5], en detrimento de las que servó que, en condiciones húmedas, las duracio-
no lo poseen, de manera que se hace muy difícil nes alcanzadas lo hicieron en el mismo sentido,
para los laboratorios de ensayo, poder cumpli- aunque con un sensible incremento, respecto
mentar la condición de la Norma sobre usar in- de los valores obtenidos en seco. Para dar una
sertos no recubiertos.
idea, los insertos no recubiertos duraron menos
Específicamente, en relación a la lubricación, de 5 minutos a una velocidad de corte de 75m/
Trent [6] enumera sus objetivos: 1) prevenir so- min mientras que, los recubiertos llegaron a 7
brecalentamientos y distorsiones geométricas minutos de duración a una velocidad de 350m/
sobre la pieza, máquina, y herramienta; 2) incre- min, en ambos casos sin usar lubricación. De es-
mentar la duración de los filos de las herramien- tos resultados se desprende que, la velocidad de
tas; 3) mejorar la terminación superficial; y 4) 75m/min resultó un valor límite para el inserto
118
remover la viruta de la zona de corte.
no recubierto. Por el contrario, un rango de ve-
Esta claro que, desde el punto de vista de la locidades entre 250 a 350m/min, resultaría una
producción y sus costos, la utilización de lubri- condición de corte adecuada en el caso de em-
cantes de corte, traerá aparejado, no sólo un au- plear los insertos recubiertos.
mento de los mismos, sino también la necesidad Por otra parte, R. Yigit [9] evaluó la evolución
de disponer de un amplio espacio en la fábrica, del desgaste de insertos recubiertos y no, en el
tanto para su almacenamiento y deposición, torneado en seco de una fundición nodular de
esto más allá de la afectación ambiental que ge- dureza HB 258, a cuatro diferentes velocidades
nera.
de corte (rango empleado de 125 a 200m/min).
Incluso, su incidencia en los costos, según el Se utilizaron insertos con sustrato de metal duro
tipo de empresa, se sitúa habitualmente entre (WC+Co) y geometría SNMA 120408 de tres di-
un 7,5% a 15% [7]
ferentes tipos: sin recubrimiento, con una capa
Por todas estas razones, su empleo deberá exterior de TiN de 7,5mm y con recubrimiento
justificarse plenamente.
exterior de TiN de 10,5mm de espesor.
Por otra parte, una extensa revisión de la En todos los casos analizados, el inserto recu-
bibliografía nos muestra que la mayoría de los bierto de TiN de 10,5mm fue aquel que presentó
trabajos de investigación realizados sobre dura- el mejor comportamiento frente al desgaste, si
ción de filo de herramientas en operaciones de bien las diferencias a su favor, no resultaron muy
torneado, se orientan a comparar el rendimien- significativas.
to de varias calidades recubiertas entre sí, o a lo Habitualmente los estudios de desgaste de
sumo, de una calidad no recubierta con varias herramientas se realizan en condiciones esta-
recubiertas (antes de seguir avanzando, quere- bles de corte. Por el contrario, M. Kayhan [10]
mos recordar que se denomina vida o duración se propuso entender la duración de los filos de
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Rendimiento de insertos de metal duro no recubiertos, en operaciones de torneado. La influencia de la lubricación
corte, en el caso de encontrarse sometidos a vi- ensayos de torneado en seco y húmedo sobre
braciones autoexitadas (chatter).
un acero SAE 1060, utilizando cuatro velocida-
La investigación del chatter ha mostrado que des de corte en el rango de 110 a 180m/min, mi-
la profundidad de pasada, es el factor de corte diendo en todos los casos la evolución del des-
más crítico que afecta la estabilidad del proceso, gaste en la superficie de incidencia (criterio de
y su aparición durante el mecanizado es una de interrupción de los ensayos VB=0,6mm).
las limitaciones más importantes en la produc- Los resultados obtenidos mostraron que, los
ción de piezas.
insertos con tratamiento criogénico rindieron
En este trabajo, los datos fueron recolecta- de mejor modo cuando se trabajó en húmedo,
dos en procesos de torneado, utilizando insertos y que incluso esta tendencia se acentuó a mayo-
de metal duro sin recubrimiento, mecanizando res velocidades de corte.
un acero AISI 1040, tanto en condiciones esta- Trabajando sobre Inconel 718 de dureza HRC
bles como de chatter. También fueron analiza- 32, A. Bhatt [14] midió el desgaste en insertos
das la influencia de las condiciones de corte, y la tipo RCMT 1204, tanto recubiertos como no, en
severidad del chatter. Los resultados obtenidos operaciones de torneado en terminación. Las
mostraron una reducción de la vida útil con el tres velocidades de corte utilizadas se encontra-
chatter, tanto mayor cuanto más severo resultó ron en el rango de 50 a 100m/min.
ser. La disminución de la duración fue del orden Llamativamente, a la menor velocidad de cor-
del 50%, incrementándose a 80% en el caso de te de 50m/min, los insertos sin recubrimiento
un chatter más severo, e incluso, su efecto fue produjeron el mejor rendimiento, en tanto que a
más negativo a medida que se aumentaba la la velocidad intermedia de 75m/min esta situa-
velocidad de corte. Resulta evidente entonces ción se alcanzó con el inserto recubierto con Ti-
que, un sistema de mecanizado más rígido pue- NAl PVD. Para finalizar, a la velocidad de 100m/
de proveer una solución eficaz para disminuir las min, el inserto con triple capa TiCN+Al2O3+TiN
vibraciones autoinducidas.
CVD resultó aquel que mejor se comportó.
Por su lado, M. Khan [11] estudió la inciden- Ensayando un par de materiales relativamen-
cia del sistema de lubricación (MQL=Minimun te modernos, como el Ti6Al4V y otro similar de Quantity Lubricant, húmedo, y seco), aplican- maquinabilidad mejorada, el TIMETAL, ambos
119
do un aceite vegetal, en el desgaste de insertos con una dureza en el entorno de los HB 240, M.
de metal duro no recubiertos del tipo SNMG Armendia [15], usando insertos no recubiertos
120408, durante el torneado de acero AISI 9310 del tipo CNMG 120408 en operaciones de tor-
con una dureza HB 257. De los tres métodos de neado húmedo (aceite emulsionable al 7% con
lubricación evaluados, el sistema MQL fue aquel caudal de 12 l/min), y a velocidades de corte en
que produjo los menores valores para el desgas- el rango de 50 a 100m/min, midió el desgaste
te a igual tiempo de corte, mientras que el corte sobre la superficie de incidencia. Los resultados
en seco resultó el de peor performance.
alcanzados mostraron que hasta los 80m/min
En el caso de M. Rogante [12], se propuso no hubo diferencia entre los materiales meca-
evaluar el desgaste de insertos de metal duro nizados, en tanto que a 90m/min y 100m/min,
tipo TNMG 220408 con y sin recubrimiento, apli- la maquinabilidad del TIMETAL fue significativa-
cados al torneado de semiterminación en seco mente superior.
de un acero SAE 1045 de dureza HB 191, utili- Asimismo, A. Sahoo [16] en el torneado de
zando un torno de control numérico. Los resul- terminación en duro de un acero AISI 4340 de
tados obtenidos mostraron que empleando in- dureza HRC 47, midió el desgaste en incidencia
sertos recubiertos pudieron alcanzarse tiempos sobre insertos del tipo CNMG 120408 recubier-
de mecanizado de al menos un 50% mayor, que tos y no recubiertos, a una velocidad de 150m/
en el caso de usar no recubiertos.
min y en seco. En estas condiciones, los insertos
Con el objeto de considerar la influencia de recubiertos con TiN produjeron una duración de
un tratamiento criogénico aplicado a insertos filo de 19 minutos, en tanto que los de ZrCN de
de metal duro no recubiertos, S. Gill [13] realizó 8 minutos, mientras que los no recubiertos no
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llegaron al minuto de duración.
utilizó un torno de control numérico Promecor
Por último, D. Martinez Krahmer [17], reali- SMT 19.
zando pruebas de torneado, comparó la dura- Las herramientas de corte usadas, fueron in-
ción de tres calidades de insertos de metal duro sertos no recubiertos del tipo CNMG120408 de
no recubiertos, resultando aquellos designados calidad ISO P40, con montaje en portainserto
como ISO P10 superiores en al menos un 11% en MCLNR-2525M12.
relación a otros de menor resistencia al desgas-
te, como fueron aquellos de calidades ISO P20 2.2. Condiciones operativas del proceso de
e ISO P40.
torneado
Siendo entonces que, una amplia revisión de En primer lugar, se realizaron pruebas ten-
la bibliografía nos muestra pocos antecedentes dientes a establecer un valor de avance que, en
en cuanto a la evaluación de la incidencia de la combinación con una profundidad de pasada
lubricación, sobre el desgaste de las herramien- de 1,25mm, produjese la rotura de viruta. Este
tas de corte, y con el objeto de evidenciar, que avance resultó ser de 0,125mm/v.
no siempre es necesario el uso de lubricantes de Para fijar las velocidades de corte, se toma-
corte, sino que debiera efectuarse un análisis en ron como referencia valores indicados por los
cada caso, en este trabajo nos propusimos anali- principales fabricantes de insertos de metal
zar el rendimiento de insertos no recubiertos, en duro, resultando así un rango de 150 a 240m/
el torneado con y sin lubricación de un acero de min.
corte libre SAE 12L14.
Las barras de 38mm de diámetro, fueron fija-
das entre plato y contrapunta, con un largo ex-
2. Procedimiento experimental
puesto de 320mm.
2.1 Materiales y equipos
Lubricante: aceite emulsionable sintético al
2.1.1 Material de trabajo
5%. Caudal = 10 l/min.
El material evaluado fueron barras de acero
trefilado grado SAE 12L14, de 38,1mm de diá- 2.3 Medición de desgaste
120
metro cortadas a una longitud de 350mm, cuya El desgaste VB sobre la superficie de incidencomposición química se muestra en la Tabla 1. cia de los insertos, fue determinado usando un
Tabla 1. Composición química del acero SAE banco de medición óptico marca Dormer. A pe-
12L14
sar que la Norma ISO 3685 establece un criterio
de interrupción de ensayo de VB = 0,3mm este
desgaste fue fijado en un valor de 0,5mm dado
que la calidad ISO P40 es de reducida resistencia
Se prepararon probetas metalográficas, con- al desgaste.
teniendo una sección longitudinal y otra trans-
versal de la barra.
3. Resultados y discusión
Las probetas fueron atacadas empleando ni- 3.1 Material a mecanizar
tal 2%. Las inclusiones se clasificaron de acuerdo Sobre el material a ensayar, se realizaron me-
con la Norma ASTM E45, mientras que el diciones de microdureza Vickers, según la Nor-
tamaño de grano lo fue según la Norma ASTM ma ASTM E 384, empleando 500X y una carga de
E 112.
1000 gf, sobre una sección transversal, resultan-
Las observaciones, se hicieron con un mi- do un valor HV de 200 ± 5.
croscopio óptico marca ZEISS, AXIOTECH, mien- El análisis metalográfico reveló que, el mate-
tras que la microdureza fue determinada con un rial presenta una microestructura laminada en
microdurómetro Vickers, marca Shimadzu HMV caliente, constituida por una matriz de granos
2000.
equiaxiales de ferrita, con una menor propor-
ción de perlita distribuida en bandas y de forma
2.1.2 Máquina y herramienta empleadas
heterogénea en la matriz; correspondiéndole un
Para efectuar los ensayos de rendimiento, se tamaño de grano equivalente al Nº 6.5 (ver Fi-
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gura 1). Las inclusiones corresponden al tipo A (sulfu-
ro), serie fina Nº 2 ½ y serie gruesa N° 2, y tipo D (óxido), serie fina Nº ½ (ver Figura 2).
La microestructura del borde correspondiente a la superficie exterior de la muestra es similar a la del núcleo, observándose granos deformados plásticamente, provenientes del trabajo de deformación plástica en frío (trefilado).
3.0.2 Torneado en húmedo En las figuras 6, 7, y 8 se presentan los va-
lores medidos para las curvas de desgaste, así como las curvas de ajuste cuadrático y su ecuación correspondiente, para las velocidades de 240, 180 y 150m/min respectivamente.
Figura 1. Microestructura (100x) Figura 2. Inclusiones (100x)
3.2 Resultados del mecanizado A continuación presentaremos los valores
obtenidos, diferenciados según se haya utilizado o no, lubricante de corte.
3.0.1 Torneado en seco
3.3 Tipo de viruta
En las figuras 3, 4, y 5 se presentan los va- En lo que respecta a las virutas generadas du-
lores medidos para las curvas de desgaste, así rante las pruebas, se pudo apreciar que la forma como las curvas de ajuste cuadrático y su ecua- predominante en todos los casos correspondie-
121
ción correspondiente, para las velocidades de ron al tipo 6.2 (viruta en arco corto), según el
240, 180 y 150m/min respectivamente.
anexo G: Chip Characteristics, Table G.1- Chip
forms, de la Norma ISO 3685:1993(E). Esta viru-
ta es típica en el torneado de aceros de corte
libre, dado que tanto los sulfuros de mangane-
so, como el plomo que se mantiene en solución
sólida, producen una discontinuidad en la mi-
croestructura que favorece el corte de viruta, in-
dependientemente de las condiciones de corte y
del filo del inserto.
3.4 Curva de Taylor A partir de las distintas curvas de desgaste
obtenidas (ver figuras 3 a 8 inclusive), se determinaron los puntos necesarios para poder ajustar la curva de Taylor, para ambos ensayos. Estos valores se presentan en la tabla siguiente:
Tabla 2. Valores Vc vs T para las distintas calidades ensayadas
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do de acero SAE 12L14, en todas las velocidades
de corte testeadas. Esto puede deberse a una
acción ineficiente de la lubricación (poco caudal
y/o presión), ya que las oscilaciones de tempera-
Finalmente, al realizar el análisis de estos úl- tura resultantes de estas faltas, podrían inducir
timos valores según de la Norma ISO 3685, se fatiga térmica sobre el filo, aumentando así su
obtuvieron los parámetros calculados siguien- tasa de desgaste. Por el contario, en el mecani-
tes, tal como lo indican los anexos D y F, de la zado en seco siempre hay una mayor estabilidad
citada Norma (ver tabla 3).
térmica.
- Los resultados de los ensayos realizados,
Tabla 3. Parámetros de la curva de Taylor: arrojaron con el torneado en seco una velocidad
V15’ de 278,8m/min, es decir, un valor mayor en
un 12,0% al obtenido mecanizando en húmedo.
- Tal como lo indican los resultados de los en-
sayos realizados, la posibilidad de eliminar la uti-
Examinando la Tabla 2, se desprende que, lización de lubricantes de corte, en casos como
las duraciones mínimas de filo alcanzadas fue- este, se traduciría en el ámbito de la producción,
ron de mayores a 15 minutos en todos los casos. tanto en una disminución de los costos de pro-
Se desprende entonces que, las V15´ obtenidas ducción, como de la afectación ambiental.
(ver tabla 3), se encontraron por encima del in- - Para el acero ensayado, una duración eco-
tervalo específico de velocidades usado durante nómica de los filos (mayores a 15 minutos), se
las pruebas.
podrían obtener a velocidades menores o igua-
Con información la información de las tablas les a unos 250 m/min.
2 y 3, se construyó a partir de las ecuaciones de - El tipo de viruta obtenida en todos los ca-
Taylor correspondientes, un diagrama que in- sos (conocida como arco corto), es ideal para
cluye a las dos curvas en forma superpuesta, tal el mecanizado en máquinas automáticas, dado
122 como se muestra en la figura siguiente:
que su reducido tamaño y longitud, no requiere de paradas de máquina, que tienen por objeto
remover enredos de viruta.
De la observación de este gráfico se puede concluir que, efectuar el torneado en seco repercutió positivamente en la duración del filo del inserto, principalmente en la velocidad de corte intermedia (180m/min).
4. Conclusiones - Contrariamente a lo esperado, el torneado
en seco produjo una mejora en la duración del filo de las herramientas usadas en el mecanizan-
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