Las funciones del refrigerante en el perforado y fresado

Las principales funciones del uso de líquido refrigerante durante el mecanizado

Las funciones principales del uso de refrigerante pueden incluir refrigeración, lubricación y funciones de infiltración así como también de conducción. Estas funciones tienen como efecto prolongar la vida útil y prevenir daños anormales causados por las virutas generadas.

1) Refrigeración

La refrigeración por medio de líquidos refrigerantes no se presenta sólo para reducir la generación de calor durante el corte sino también para prolongar la vida útil. El calor del corte es fundamentalmente generado por el cambio de energía producido por una deformación compartida cuando la viruta es generada; el roce entre el filo y la pieza de trabajo; y entre el filo de corte y las virutas (Figura 1), y puede incrementar la temperatura del filo hasta aproximadamente 1000°C durante el mecanizado en aceros. Esta temperatura elevada ablanda el filo de corte y genera desgaste en la herramienta (Foto 1). Además, debido a que el flanco del filo tiene contacto con las virutas, que cargan con el 70% del calor del corte en un estado de alta temperatura, el desgaste en cráter también es propenso a ocurrir (Foto 2), y tal desgaste eventualmente causa el deterioro de la durabilidad de la herramienta. Por ello, para prevenir la generación de calor durante el corte y prolongar la vida útil, la utilización del refrigerante líquido es muy efectivo.

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2) Lubricación

Si se produce adhesión de material o descascaramiento por virutas (Foto 3) sobre el filo de corte, se produce una pequeña fisura (Astillamiento: Foto 4) cuando el material adherido se desprende. Esto causa no sólo el deterioro de la durabilidad de la herramienta sino también problemas como fracturas repentinas. La función de lubricación del refrigerante previene la adhesión de virutas al lubricar el contacto entre la parte superior del filo y las mismas.

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3) Función de infiltración

La función de infiltración es uno de los efectos del refrigerante causado por la penetración de éste en el espacio entre las virutas y la cara superior del filo de corte. Esto ayuda a que la refrigeración y lubricación se produzcan de una manera más efectiva. En adición, también promueve la ruptura de virutas y facilita el corte al penetrar en la superficie de la pieza de trabajo. (Figura 2)

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4) Conducción de flujo

La conducción de flujo y presión puede facilitar la ruptura de virutas y su posterior despeje. (Foto 5). Particularmente en el perforado y fresado, las virutas a veces se acumulan en los labios de las herramientas, lo cual puede ser la causa de fracturas (Foto 6); sin embargo, al mejorar la ruptura de virutas y su evacuación, la conducción de flujo puede prevenir daños repentinos.

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Provisión de refrigerante en perforado y fresado

En el perforado, la posición del filo de corte normalmente es hacia un área más profunda de trabajo que la superficie mientras lleva a cabo el mecanizado; por ello, es esencial saber si la eficiencia en el despeje de virutas y la cantidad de refrigerante provista es suficiente o no (Figura 3).
En cuanto al fresado, el método de mecanizado es interrumpido. Si el filo es continuamente calentado y rápidamente enfriado durante el ciclo de corte, se producen fisuras térmicas (Foto 7), y las fisuras térmicas pueden causar mayores problemas como fracturas repentinas. El fresado es generalmente realizado con soplo de aire, sin aplicación de líquido refrigerante; sin embargo, al mecanizar materiales propensos a generar altas temperaturas y de fácil adhesión de material, como el acero inoxidable, titanio y aleaciones con tratamiento térmico, el uso de líquido refrigerante es muy efectivo para evitar dichos daños. De esta manera, en el fresado, la provisión de una cantidad suficiente de refrigerante es un punto muy importante a tener en cuenta para suprimir el incremento de temperatura y prevenir la acumulación de virutas en los labios.

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Tecnología en aplicación de refrigerante en el perforado

En el perforado, la manera más efectiva de proveer refrigerante es internamente desde el inicio filo hasta la periferia de la broca. Esto mejora no sólo el despeje de virutas sino también la refrigeración debido a que una cantidad suficiente de refrigerante llega al filo.
Mientras que las brocas convencionales generalmente proveen de refrigerante por medio de agujeros circulares, Mitsubishi Materials Corporation ha desarrollado una nueva broca con agujeros de refrigeración de una geometría única; que puede controlar de manera óptima el flujo de refrigerante sin reducir la rigidez del cuerpo gracias a la tecnología de fabricación aplicada (Foto 8: Tecnología TRI Cooling). De acuerdo a la comparación de flujo de refrigerante entre las brocas convencionales y la nueva broca de Mitsubishi, la nueva broca ha incrementado el flujo de refrigerante en más del doble a comparación con la broca convencional y expandió el área de alto flujo de refrigeración (Figura 4) En otras palabras, esta nueva broca puede ofrece un despeje superior de virutas y tener efecto de refrigeración superior a los agujeros circulares convencionales. Esto logra una mayor vida útil al suprimir el desarrollo del desgaste en la herramienta. Más aún, ayuda a prevenir daños repentinos al mejorar la fluidez en el despeje de virutas. Como resultado,permite llevar a cabo un mecanizado estable bajo condiciones de alta eficiencia.

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Ejemplo de aplicación de la nueva tecnología

Se condujo una comparativa con virutas de acero al carbono S55C. Mientras la temperatura de corte se incrementa gradualmente, las virutas son descoloridas de acuerdo al grosor de la capa de óxido. Esto es llamado color "templado"; por ejemplo, el color púrpura y el azul representan temperaturas más elevadas que el color metálico inherente en ellas. Como pueden observar en la Foto 9, las virutas de la broca convencional poseen tonalidades en púrpura y azul; en otras palabras, la temperatura de corte era elevada durante el mecanizado. Por otro lado, las virutas de la broca integral MQS para acero y fundición, diseñada con la tecnología TRI Cooling, permanecen con un brillo metálico en su superficie, lo que puede evaluarse como una refrigeración más efectiva. (Foto 9) Además, en el mecanizado en acero inoxidable, al tener baja conductividad térmica, se enfría rápidamente mejorando el despeje de virutas, nuestra broca integral MMS para acero inoxidable está diseñada con la misma tecnología, logra mayor vida útil y es menor propensa a sufrir rupturas aún durante el mecanizado a alto avance. (Figura 5)

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Tecnología en refrigeración para fresado

En el fresado, una forma efectiva de proveer internamente el refrigerante es desde el labio helicoidal hacia el filo periférico, porque acentúa la refrigeración en el filo de corte y la eficiencia en el despeje de virutas. Particularmente en las fresas integrales, la refrigeración interna previene la acumulación de virutas en los labios, como puede observar en la Foto 6.
La fresa de Mitsubishi Materials Corporation, VFX, con insertos intercambiables, para fresado en aleación de titanio (Foto 10), está diseñada con boquillas de refrigeración próximas a todos sus insertos. Sin utilizar las boquillas de la fresa VFX, se realizó un fresado lateral aplicando sólo soplo de aire provisto desde las boquillas del centro de mecanizado. Como resultado, este mecanizado sufrió adhesión de material y mostró una eficiencia insuficiente en el despeje de virutas. (Foto 11) la boquilla de la fresa VFX está dirigida ligeramente por arriba de la cara superior del filo de corte (Figura 6), y es reemplazable con diferentes diámetros de agujero de acuerdo al nivel de presión del refrigerante lo que posibilita ajustar simplemente la cantidad del mismo. Este diseño puede despejar las virutas de aleación de titanio de manera contundente, al tener baja conductividad térmica, alta temperatura de corte y prevenir la adhesión de material. En otras palabras, la fresa VFX también puede evitar la acumulación de virutas causada por la adhesión de material y mejorar la eficiencia en el mecanizado aún bajo condiciones de corte exigentes.

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En adición a la fresa VFX, la serie de fresas integrales COOLSTAR de Mitsubishi Materials Corporation también está diseñada con labios helicoidales de multi-agujeros de refrigeración (Foto 12), lo que provee refrigerante de forma directa desde el labio helicoidal hacia el filo periférico (Foto 13). De esta manera, al tener una refrigeración eficaz y excelente despeje de virutas, estas fresas pueden realizar un mecanizado estable aún en materiales de difícil corte como el acero inoxidable, aleación de titanio y aleación con tratamiento térmico.

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Ejemplo de aplicación de la nueva tecnología

Para el mecanizado en materiales de difícil corte, el mecanizado trocoidal es un método que puede reducir la carga sobre el filo y lograr mayor eficiencia al evitar el atoramiento de virutas. Este modo de mecanizado es básicamente un fresado lateral en donde de dibuja un arco con una fresa de diámetro menor que el ancho del ranurado. Al ser comparado con un ranurado realizado por una fresa del mismo ancho que el ranurado requerido, los resultados del corte trocoidal son los siguientes: Primero, la temperatura de corte decrece fácilmente porque el tiempo de mecanizado real del filo es considerablemente menor que el tiempo en donde el filo no trabajó. Segundo, se puede evitar la acumulación de virutas ya que el espacio para el despeje de las mismas es más que suficiente. Particularmente en fresas integrales para materiales de difícil corte, el espacio para el despeje de virutas es muy estrecho debido al gran ángulo helicoidal y multi-labios requeridos, lo que significa que las fresas integrales no están diseñadas para realizar un ranurado de la longitud igual al diámetro exterior. En otras palabras, el mecanizado trocoidal es el mejor método de corte para el ranurado.

En el mecanizado en aleación de titanio, el modo convencional de mecanizado con refrigeración externa no logra proveer de la cantidad suficiente de refrigerante para el filo. Ya que en la aleación de titanio el incremento de temperatura se sucede fácilmente, la fresa convencional sufre adhesión de material y fracturas debido a que se produce astillamiento por el desprendimiento de las virutas adheridas por acumulación. Por otro lado, la fresa COOLSTAR con multi-agujeros de refrigeración no sufrió fracturas al evitar la acumulación de virutas y la adhesión de material gracias a la provisión suficiente de refrigerante en el filo periférico y su despeje de virutas aún a un avance 1.3 veces superior. Más aún, disminuye el desgaste del filo, permitiendo seguir siendo utilizada. (Figura 7)

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En el mecanizado en acero inoxidable, a diferencia de las fresas convencionales que sufren ruptura por acumulación de virutas en los labios helicoidales, la fresa COOLSTAR evita este problema gracias a los multi-agujeros en los labios helicoidales. Al igual que en el caso de mecanizado en aleación de titanio, la fresa COOLSTAR no sufrió fracturas y sufrió un desgaste muy escaso, por lo que puede seguir mecanizando. (Figura 8)

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De esta manera, los ejemplos de aplicación previos verifican que el mecanismo de refrigeración interior, diseñado con agujeros en los labios helicoidales, puede llevar a cabo un mecanizado de alta eficiencia y estable en materiales de difícil corte de una forma notablemente superior al mecanismo de refrigeración exterior.

Mitsubishi Materials Corporation continua perfeccionando de manera continua las herramientas de corte desde varias perspectivas incluyendo geometría, grados y tecnología en refrigeración, para ofrecer soluciones efectivas en el mecanizado de alta eficiencia.

Autor : Ing. Yoshio Hirakawa
Centro de Tecnología en Mecanizado, División Carburo y Herramientas
Productos y Herramientas de la industria Pulvimetalúrgica
MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION