La maquinabilidad es la facilidad con la que se puede cortar ( mecanizar ) un metal permitiendo eliminar el material con un acabado satisfactorio a bajo costo. [1] Los materiales con buena maquinabilidad ( materiales libres de maquinado ) requieren poca energía para cortar, se pueden cortar rápidamente, obtienen fácilmente un buen acabado y no causan un desgaste significativo en el herramental . Los factores que normalmente mejoran el rendimiento de un material a menudo degradan su maquinabilidad, lo que presenta un importante desafío de ingeniería.
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 cada grupo de materiales, como el módulo de elasticidad , la conductividad térmica , la expansión térmica y el endurecimiento por trabajo . [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 realiza. [3]
Los aceros se encuentran entre los materiales más importantes y comúnmente utilizados en ingeniería. Los aceros de libre 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 libre mecanizado son más caros que los aceros estándar, pero su coste se compensa con el ahorro en costes de fabricación.
Hay muchos factores que afectan la maquinabilidad, pero no existe una forma ampliamente aceptada de cuantificarla. En cambio, la maquinabilidad a menudo se evalúa caso por caso y las pruebas se adaptan a las necesidades de un proceso de fabricación específico. Las métricas comunes para comparar incluyen la vida útil de la herramienta, la calidad del acabado superficial, la temperatura de corte, las fuerzas de la herramienta y el consumo de energía. [5] [6]
La maquinabilidad puede basarse en la medida de la duración de una herramienta. Esto puede resultar útil al comparar materiales que tienen propiedades y consumos de energía similares, pero uno es más abrasivo y, por lo tanto, reduce la vida útil de la herramienta. El principal inconveniente de este enfoque es que la vida útil de la herramienta depende de algo más que del material que se mecaniza; 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, de una herramienta HSS a una herramienta de carburo). [6]
Las fuerzas necesarias para que una herramienta corte un material están directamente relacionadas con la energía consumida. Por lo tanto, las fuerzas de las herramientas a menudo se dan en unidades de energía específica. Esto conduce a un método de calificación en el que 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 calificación. [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 acumulado . El acero inoxidable y otros materiales con una alta capacidad de endurecimiento por deformación también desean 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 corte alta, no tienden a formar bordes reconstruidos, 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 muchas veces resulta irrelevante. Por ejemplo, al realizar un corte preliminar, el acabado de la superficie no tiene importancia. Además, los cortes de acabado suelen requerir cierta precisión que, naturalmente, consigue un buen acabado superficial. Este método de calificación tampoco siempre concuerda con otros métodos. Por ejemplo, las aleaciones de titanio obtendrían una buena puntuación según el método de acabado superficial, una puntuación baja según el método de vida útil de la herramienta y una puntuación 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 porcentaje o valor normalizado . El Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) determinó las clasificaciones de maquinabilidad para una amplia variedad de materiales realizando pruebas de torneado a 180 pies de superficie por minuto (sfpm). [9] Luego asignó arbitrariamente al acero 160 Brinell B1112 una calificación de maquinabilidad del 100%. [9] La clasificación 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 un índice de maquinabilidad inferior al 100% sería más difícil de mecanizar que B1112 y un material con un valor superior al 100% sería más fácil.
Clasificación de maquinabilidad = (Velocidad de mecanizado de la pieza de trabajo con una vida útil de 60 minutos)/(Velocidad de mecanizado del metal estándar)
Las clasificaciones de maquinabilidad se pueden usar junto con la ecuación de vida 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 60 minutos a una velocidad de corte de 100 sfpm. Si un material tiene una clasificación de maquinabilidad del 70%, se puede determinar, con lo anterior, que para mantener la misma vida útil de la herramienta (60 minutos) la velocidad de corte debe ser de 70 sfpm (suponiendo que se utilice la misma herramienta). [1]
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 porque 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 produce un borde acumulado que acorta la vida útil de la herramienta. Por tanto, el acero tiene la mejor maquinabilidad con cantidades medias de carbono, alrededor del 0,20%. [5]
A menudo se añaden al acero cromo, molibdeno y otras aleaciones metálicas para mejorar su resistencia. Sin embargo, la mayoría de estos metales también disminuyen 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.
Hay 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 herramienta-chip, disminuyendo la resistencia al corte del material o aumentando la fragilidad del chip. 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 medioambientales.
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 filo. 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 aumentan la tensión y debilitan el acero, permitiéndole deformarse más fácilmente.
Los aceros inoxidables tienen poca maquinabilidad en comparación con el acero al carbono normal porque son más duros, más gomosos y tienden a endurecerse muy rápidamente. [5] Endurecer ligeramente el acero puede disminuir 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 quebradizo. Las aleaciones 2007, 2011 y 6020 tienen muy buena maquinabilidad. [11]
Los termoplásticos son difíciles de mecanizar porque tienen poca conductividad térmica. [10] Esto crea 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 filo en lugar de ser eliminado por este. La maquinabilidad se puede mejorar utilizando refrigerante de alta lubricidad y manteniendo el área de corte libre de acumulación de viruta.
Los compuestos suelen tener la peor maquinabilidad porque combinan la mala 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 mediante el uso de un refrigerante de muy baja temperatura, como el dióxido de carbono líquido. Las bajas temperaturas enfrían el material antes del corte para que no se deforme ni se adhiera al filo. Esto significa menos desgaste de las herramientas y un mecanizado más fácil.
