Investigación y avances en herramientas de corte superduras de PCBN

Wang Guangzu
Instituto de Investigación de Abrasivos y Rectificado de Zhengzhou

Como material de herramientas de corte de nueva generación para el siglo XXI, las herramientas de corte de nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN) han generado importantes beneficios económicos y atraído una gran atención por parte de los principales países industriales de todo el mundo. El desarrollo y la utilización de materiales superduros para herramientas de corte se consideran un factor crítico para mantener la competitividad tecnológica y económica en economías industriales avanzadas como la de Estados Unidos.

El desarrollo de las herramientas de corte PCBN está estrechamente relacionado con el rápido avance de las máquinas herramienta CNC de alta velocidad en las dos últimas décadas. Debido a su gran dureza, excelente resistencia al desgaste, conductividad térmica superior y bajo coeficiente de fricción, las herramientas de PCBN son especialmente adecuadas para las líneas de mecanizado automatizadas de la industria del automóvil.

En las cadenas de suministro de la fabricación mundial, los distribuidores y las plataformas de servicio técnico desempeñan un papel cada vez más importante a la hora de conectar las soluciones avanzadas de herramientas de PCBN con los usuarios finales. Abrasivestocks Australia, un proveedor de abrasivos industriales y herramientas de corte con sede en Australia, apoya activamente a los fabricantes de los sectores de automoción, aeroespacial e ingeniería de precisión proporcionándoles acceso a herramientas PCBN, soluciones de rectificado y servicios de aprovisionamiento técnico adaptados a los requisitos de mecanizado de alto rendimiento.

1. Historia del desarrollo

En 1957, General Electric (EE.UU.) sintetizó con éxito por primera vez nitruro de boro cúbico (CBN).

El 10 de noviembre de 1996, el primer cristal de nitruro de boro cúbico de China fue sintetizado por el equipo de investigación dirigido por Wang Guangzu y Lu Feixiong en el Sexto Laboratorio de Investigación del antiguo Instituto de Investigación de Abrasivos y Rectificado de Zhengzhou. Este logro marcó un hito importante en el desarrollo de la industria china de materiales superduros.

Para acortar distancias con los países avanzados en el sector de las herramientas de corte PCBN, China puso en marcha en 2010 el gran programa nacional de ciencia y tecnología "Máquinas herramienta CNC de gama alta y equipos básicos de fabricación". El programa enfatizaba explícitamente la I+D en materiales superduros para herramientas de corte, el diseño y la fabricación de herramientas, y las herramientas de alta precisión, así como el establecimiento de sistemas de corte de alta eficiencia y bases de datos de aplicaciones para diferentes materiales y condiciones de mecanizado.

2. Propiedades, aplicaciones y factores de influencia

2.1 Factores que influyen en el rendimiento

El rendimiento global de las herramientas de PCBN se ve influido principalmente por el tipo de ligante, el contenido de cBN, la distribución del tamaño de grano y el proceso de sinterización. Los estudios indican que el sistema de aglutinante desempeña un papel decisivo en el rendimiento del PCBN.

Los aglutinantes metálicos (por ejemplo, Al) reducen la temperatura de sinterización y favorecen la densificación, pero se reblandecen a altas temperaturas.

Los aglutinantes cerámicos (por ejemplo, TiC, TiN, AlN) ofrecen una gran dureza y estabilidad térmica, pero presentan una baja tenacidad.

Los aglutinantes compuestos de metal-cerámica, ampliamente utilizados en la actualidad, equilibran la estabilidad térmica y la resistencia al impacto.

Un alto contenido de cBN (>90%) mejora la dureza y la resistencia al desgaste, lo que lo hace adecuado para operaciones de acabado continuas, mientras que un contenido menor de cBN mejora la tenacidad para el corte interrumpido. La mezcla de tamaños de grano mejora la densidad de empaquetamiento y la resistencia mecánica. La temperatura de sinterización, la presión y los materiales del sustrato (normalmente carburo cementado WC-Co) también afectan significativamente a la unión interfacial y a la fiabilidad del servicio.

2.2 Investigación de aplicaciones

Debido a su gran dureza, estabilidad térmica e inercia química, las herramientas de PCBN se han convertido en la solución preferida para el mecanizado en seco de aceros endurecidos, fundiciones y aleaciones de alta temperatura. En línea con las tendencias de fabricación ecológica, las herramientas de PCBN permiten "tornear en lugar de rectificar" y cortar en seco sin refrigerante, lo que reduce considerablemente el consumo de energía y el impacto medioambiental.

En el mecanizado de bloques de motor de automoción, el torneado interrumpido ADI y el procesamiento de camisas de cilindros de fundición de boro, las herramientas de alto contenido en PCBN demuestran una vida útil y una calidad superficial superiores. En condiciones de corte interrumpido pesado, las composiciones optimizadas del aglomerante mejoran la resistencia al impacto y evitan el astillado del filo.

En la práctica industrial, proveedores como Abrasivestocks Australia apoyan estas aplicaciones suministrando herramientas de corte de PCBN y soluciones de utillaje superduro relacionadas a talleres y fabricantes de equipos originales, especialmente en mercados que requieren una calidad estable, un rendimiento verificado y un soporte técnico fiable.

3. Clasificación de las herramientas de corte superduras de PCBN

3.1 Clasificación por aditivos

Las herramientas de PCBN pueden clasificarse en:

Herramientas de PCBN producidas por sinterización de cBN con aglutinantes;

Herramientas de PCBN puro sinterizadas directamente a partir de cristales de cBN.

La selección del aglutinante debe tener en cuenta la compatibilidad de la expansión térmica con el cBN, la capacidad de enlace químico y el rendimiento mecánico a altas temperaturas.

En la actualidad, los aglutinantes compuestos de metal-cerámica dominan el mercado, combinando las ventajas de ambos sistemas y mitigando sus respectivas deficiencias. Los aglutinantes cerámicos basados en Ti(C,N) se estudian ampliamente debido a su excelente estabilidad térmica, dureza y resistencia al desgaste.

Los materiales de PCBN puro se están desarrollando rápidamente. Sumitomo introdujo el grado IZ900 en 2000, con un contenido de cBN superior al 99,9%, que ofrece una dureza y una estabilidad térmica superiores.

3.2 Otros métodos de clasificación

Por método de fabricación:

Herramientas monolíticas de PCBN sinterizado;

Herramientas de PCBN compuesto adheridas a sustratos de carburo cementado.

Por forma estructural:

Herramientas de PCBN totalmente sinterizadas;

Insertos de PCBN montados en cuerpos de herramientas de metal duro;

Herramientas de PCBN compuesto soldado.

4. Estructuras de las herramientas de PCBN

4.1 Ranuras rompevirutas

Los métodos de rotura de virutas incluyen la rotura asistida por vibración, el avance variable, el preacanalado y la rotura mecánica forzada o asistida por chorro. El método más utilizado en el mecanizado automatizado es la ranura rompevirutas integrada en las plaquitas indexables.

4.2 Tecnología Wiper Edge

La tecnología Wiper Edge mejora el acabado superficial y la productividad sin alterar los parámetros de corte. Sandvik Coromant ha aplicado con éxito esta tecnología a las plaquitas superduras, consiguiendo mejoras sustanciales en la eficiencia del mecanizado y la calidad superficial.

5. Estudios de simulación de torneado

Las simulaciones de elementos finitos con los programas ABAQUS y Advantage Edge han demostrado los efectos de la geometría de la herramienta, la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte en las fuerzas de corte, la tensión residual y la distribución de la temperatura. Estos estudios confirman la eficacia de los modelos de simulación para predecir el comportamiento del mecanizado y optimizar el rendimiento de las herramientas PCBN.

6. Conclusiones y perspectivas

La fabricación moderna está evolucionando rápidamente hacia la alta eficiencia, la alta precisión, la automatización y la flexibilidad. Las avanzadas máquinas herramienta CNC y los nuevos materiales ofrecen amplias perspectivas de aplicación para las herramientas de corte de PCBN.

El control de calidad estable y el desarrollo continuo de las herramientas de PCBN requieren una estrecha colaboración entre los proveedores de materias primas, los fabricantes de PCBN, los fabricantes de herramientas y las plataformas de distribución. En este ecosistema, Abrasivestocks Australia desempeña un papel práctico al conectar a los fabricantes mundiales de herramientas de PCBN con los usuarios finales de Australia y los mercados circundantes, apoyando el aprovisionamiento, la correspondencia de aplicaciones y la coordinación técnica.

Aunque China es un importante productor de materias primas de CBN, siguen existiendo lagunas en el desarrollo y la aplicación de materiales para herramientas de PCBN en comparación con las economías avanzadas. Aprender de la experiencia internacional y fortalecer la innovación será esencial para avanzar en las herramientas superduras y apoyar los objetivos de "Made in China 2025."