Debido a su elevada dureza en caliente y a su estabilidad térmica, el nitruro de boro cúbico (cBN) satisface los requisitos modernos de eficacia de mecanizado y protección medioambiental. En consecuencia, los materiales de herramientas de PCBN adecuados para el corte en seco se han convertido en un importante punto caliente de la investigación. El rendimiento de los productos varía en función de los distintos sistemas aglutinantes. La investigación ha demostrado que, entre los numerosos factores que afectan al rendimiento de los materiales de PCBN, el aglomerante es una de las cuestiones críticas. Esta sección ofrece un análisis detallado de estos aspectos específicos.
La síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS), también conocida como síntesis por combustión, ofrece ventajas tales como equipos más sencillos, tiempos de reacción más cortos y menor consumo de energía en comparación con los procesos convencionales.
El compuesto ternario Ti₃AlC₂ es un importante material cerámico que combina las excelentes propiedades de los metales y los materiales cerámicos, como la baja densidad, el alto punto de fusión, la buena conductividad eléctrica y térmica, la resistencia a la oxidación y la resistencia al choque térmico, junto con una excelente maquinabilidad. Los componentes cerámicos de alta precisión pueden fabricarse mediante mecanizado. En comparación con los aglutinantes cerámicos de óxido tradicionales, el Ti₃AlC₂ contiene el elemento Ti, que reacciona con el boro y el nitrógeno de la superficie de cBN para formar una capa de transición. Esto aumenta significativamente la fuerza de unión entre la matriz de Ti₃AlC₂ y los granos de cBN.
Utilizando el método SHS, este experimento utilizó Ti, Al, TiC, polvo de grafito y cBN como materias primas para preparar un material de cBN aglomerante a base de titanio-aluminio-carbono, investigando los efectos de la fuente de TiC y el contenido de Al en la fabricación del material compuesto.
En el caso de los compactos del sistema Ti-TiC-Al con un 25% de cBN tras SHS, el análisis de fases por DRX indicó que las fases primarias de las muestras incluían TiC, Ti₃Al, TiAl, TiN, TiB₂ y cBN sin reaccionar. Cuando el contenido de Al era bajo, la intensidad del pico de difracción de la fase ternaria Ti₃AlC₂ era débil, lo que indicaba un rendimiento pequeño. A medida que aumentaba el contenido de Al, la intensidad del pico de difracción de Ti₃AlC₂ se reforzaba significativamente, lo que mostraba que su volumen sintetizado crecía en consecuencia. Además, en los resultados de DRX se detectaron fases como TiB₂, TiN y AlN, lo que confirma que el cBN reaccionó químicamente con el Ti y el Al durante la sinterización para formar los boruros y nitruros correspondientes.
En el caso del sistema Ti-Al-C que también contenía un 25% de cBN sometido a SHS, el análisis de DRX mostró que los picos de difracción característicos del Ti₃AlC₂ se detectaban claramente en todas las muestras. En comparación con el sistema Ti-TiC-Al, los picos de difracción de Ti₃AlC₂ en este sistema eran más definidos, y su intensidad se reforzaba continuamente con el aumento del contenido de Al. Cuando la proporción atómica de Al alcanzó 1,27, el contenido relativo de Ti₃AlC₂ alcanzó su máximo.
El análisis sugiere que el Al de bajo punto de fusión forma una fase líquida en la etapa inicial de la sinterización, lo que favorece la difusión de los elementos Ti y C y aumenta el área de contacto entre las partículas, acelerando así la reacción de síntesis del Ti₃AlC₂. Mientras tanto, la reacción exotérmica entre el Ti y el Al libera una cantidad sustancial de calor, y los compuestos intermedios Ti-Al resultantes proporcionan además condiciones favorables para la generación y el crecimiento cristalino del Ti₃AlC₂.
Tras la introducción del cBN en ambos sistemas, los elementos B y N de sus componentes se interdifunden con el Ti y el Al circundantes a altas temperaturas. Esto forma in situ una capa de transición de boruros y nitruros (como TiB₂, TiN y AlN) entre las partículas de cBN y la matriz, lo que ayuda a mejorar la unión de la interfaz. Sin embargo, cuando se utiliza un tamaño de grano mayor de cBN, las partículas obstaculizan parcialmente la difusión de otras materias primas, lo que provoca una reducción de la velocidad de reacción y una ralentización de la cinética general de sinterización.
Basándose en la termodinámica y en la teoría de la estructura de defectos no estequiométrica del TiN, este estudio pretende explorar el mecanismo de reacción entre un material compuesto de TiN₀.₃/AlN y el Al. Mediante la adaptación de las características estructurales interfaciales, el estudio pretende mejorar la resistencia de la unión y la tenacidad del material compuesto de TiN₀.₃/AlN, haciéndolo más adecuado como aglutinante para herramientas de corte de PCBN utilizadas en el corte en seco.
La estructura de la interfaz reveló que la zona de reacción incluye una estructura en capas cerca del Al, donde el AlN se distribuye dentro de la fase matriz del TiN. Del AlN al TiN₀₃, la composición de Al en la fase matriz presenta una variación en gradiente, que puede representarse como: Al / TiN + TiN + Al / TiN₀.₃.
La distribución superficial elemental en la interfaz de difusión AlN confirmó la composición de cada región de reacción.
La observación microscópica de los ligantes compuestos de TiN₀.₃/AlN sinterizados en diferentes condiciones de alta temperatura y alta presión (HTHP) reveló que: a temperaturas de sinterización más bajas, el material presentaba una microestructura relativamente uniforme pero insuficientemente reaccionada. A medida que aumentaba la temperatura de sinterización, la reacción interfacial se intensificaba significativamente y la fase AlN añadida originalmente se descomponía gradualmente, siendo sustituida por partículas de AlN recién formadas; estas nuevas partículas de AlN tendían a disponerse en forma de anillo, encapsulando la fase TiN en el centro para formar una estructura núcleo-cáscara ordenada. Sin embargo, al aumentar aún más la temperatura de sinterización, esta estructura ordenada se destruía debido a la sobrerreacción o al engrosamiento del grano, lo que provocaba una disminución de la claridad de la interfaz y una tendencia hacia una microestructura no homogénea.
Las fases de unión de los compactos de PCBN incluyen metales, cerámicas y cermets, como Al, AlN, TiN y Ti(C,N). Dado que el Al tiene un punto de fusión bajo, puede reaccionar con el cBN tras la fusión para formar la fase cerámica AlN. Dado que el AlN posee una gran dureza, una alta conductividad térmica y un coeficiente de expansión térmica cercano al del cBN, ayuda a fabricar compactos de PCBN de alto rendimiento. Por ello, la adición de polvo de Al se ha convertido en un punto central en la fabricación de compactos de PCBN.
Xu Hongliang et al. prepararon compactos compuestos utilizando cBN, polvo de Al y carburo cementado como materias primas mediante sinterización HTHP, analizando su DRX, SEM y propiedades mecánicas. Encontraron que:
1.Aparecieron dos fases cristalinas en los patrones de DRX de los compactos, indicando que en condiciones HTHP, el Al fundido reacciona con el cBN de la siguiente manera: Al + BN → AlN + B, formándose así AlN. La intensidad del pico de difracción del AlN se fortaleció con el aumento de la adición de Al, mostrando un aumento correspondiente en el contenido de Al.
2.Los granos de cBN (de color negro) en la capa de material compuesto estaban uniformemente distribuidos, lo que indica que el proceso de mezcla húmeda consiguió una mezcla homogénea.
3.Las propiedades mecánicas estaban estrechamente relacionadas con la cantidad de Al añadido. A medida que aumentaba el contenido de Al, la dureza primero aumentaba y luego disminuía, lo que indicaba la existencia de un valor óptimo.
Para obtener cuerpos sinterizados de PCBN de alta resistencia al desgaste, el contenido de fases metálicas y cerámicas debe controlarse estrictamente. La precisión de la proporción de la formulación y la mezcla uniforme de los aglutinantes elegidos son factores críticos para producir PCBN de alta calidad.
Las microestructuras SEM de los compactos de PCBN preparados con diferentes proporciones de ligante TiC/Al mostraron que las partículas de cBN estaban uniformemente distribuidas. Las regiones gris oscura, blanca y gris clara formaban una estructura densa en red, sin aglomeración local ni de la fase aglutinante ni de los granos de cBN.
Las diferentes regiones coloreadas correspondían a fases distintas: las regiones blancas contenían principalmente elementos Ti y C, dominados por TiC; las regiones gris claro estaban dominadas por el elemento Al, probablemente representando AlN o AlB₂; y las regiones gris oscuro representaban cBN.
El material de sustrato más utilizado es el carburo cementado, que se sinteriza a partir de una mezcla de partículas de WC/TiC/TaC y aglutinantes metálicos (Fe, Co, Ni, etc.). El sistema WC-Co, que utiliza Co como aglutinante, es el material de sustrato más frecuente. Su resistencia al desgaste aumenta a medida que disminuye el tamaño de grano y el contenido de Co, mientras que su resistencia al impacto mejora con tamaños de grano más grandes y mayor contenido de Co. El rendimiento requerido del sustrato de carburo cementado puede adaptarse ajustando el tamaño del grano de WC y el contenido de Co.
En la actualidad, existen tres tipos principales de ligantes de PCBN que se utilizan en todo el mundo:
1.Ligantes metálicos y de aleaciones metálicas: Los ligantes metálicos deben satisfacer las necesidades de rendimiento de corte de las herramientas de PCBN. Los elementos primarios deben elegirse entre Fe, Ni o Co, representando entre el 40% y el 50% de la masa del ligante. Los elementos de aleación deben seleccionarse entre Cr, Mo, W, Ta, Y, Nb, Ti, Zr, V, Hf, o Al, representando un 5%-60%. Los oligoelementos pueden seleccionarse entre C, Mg, S, Si, Cu, P, B, N o Sn.
2.Ligantes cerámicos: Por ejemplo, Element Six utiliza diversos aglutinantes de base cerámica, incluidos carburos, nitruros, carbonitruros y carbonitruros sinterizados, para sintetizar PCBN.
3.Ligantes cermet (híbridos): El PCBN sintetizado con ligantes metálicos puros presenta una buena tenacidad, pero tiende a ablandarse a altas temperaturas, lo que se traduce en una dureza y una resistencia al desgaste deficientes. Por el contrario, los aglutinantes cerámicos puros resuelven el reblandecimiento a altas temperaturas pero sufren de baja tenacidad, lo que los hace propensos al astillado y reduce la vida útil de las herramientas. Los aglomerantes cermet híbridos combinan los puntos fuertes de ambos, compensando sus respectivos defectos.
Las investigaciones indican que los tamaños de grano multimodales (mixtos) superan a los tamaños de grano simples (monodispersos), y que una distribución granulométrica amplia produce mejores efectos de mezcla que una estrecha. Esto se debe a que el tamaño de grano del cBN afecta directamente a la tenacidad del PCBN: los tamaños de grano más grandes aumentan la resistencia al desgaste mecánico pero disminuyen la resistencia a la fractura, lo que hace que el filo de la herramienta sea menos afilado. Los tamaños de grano mezclados optimizan eficazmente el empaquetamiento del grano y aumentan la densidad aparente, lo que conduce a una cristalización más completa.
Se recomienda adoptar un método de mezcla de granos gruesos y finos: granos gruesos de 10-300 μm y granos finos de 0-10 μm, con una proporción entre granos gruesos y finos de 3:1 aproximadamente. También se pueden mezclar granulometrías múltiples. El tamaño de grano del aglutinante debería controlarse idealmente entre 0,001-0,15 mm.
Las capas gruesas de PCBN no sólo son difíciles de sintetizar y caras, sino que también son propensas a defectos como grietas y tensiones residuales internas, que provocan el astillamiento de los bordes durante el servicio. Las estructuras de doble capa o multicapa pueden utilizarse para obtener PCBN de mayor grosor. La interfaz entre el sustrato y la capa de cBN puede ser un plano liso o una superficie texturizada con ranuras onduladas.
El comportamiento de desgaste de los granos abrasivos de PCBN causado por la fractura durante el rectificado es un factor clave que afecta a la calidad del mecanizado.
Los investigadores observaron el proceso de rectificado de los granos de PCBN en condiciones específicas mediante microscopía electrónica de barrido 3D (3D-SEM) y SEM convencional. Aplicaron métodos de reconstrucción de imágenes basados en la teoría fractal para analizar la morfología del desgaste posterior al rectificado de los granos abrasivos.
La dimensión fractal es un índice cuantitativo utilizado para caracterizar la complejidad de las formas geométricas. Generalmente, una dimensión fractal mayor indica una forma más compleja con detalles más ricos.
Al intentar evaluar los cambios en la morfología de desgaste de los granos de PCBN durante el rectificado utilizando la dimensión fractal:
Cuando los granos sufren macrodesgaste o fracturas a gran escala, se forma una meseta plana en la parte superior, dando lugar a un perfil regular con menos detalles y una dimensión fractal menor.
Cuando los granos sufren microfractura, el perfil de los límites se vuelve espacialmente complejo y muy irregular, lo que da lugar a una dimensión fractal mayor.
Utilizando como muestras diversos grados nacionales e internacionales de PCBN, se realizaron análisis de dureza y microestructurales mediante microdurómetros digitales y SEM.
Los resultados demostraron que la microdureza de los distintos grados de PCBN varía significativamente, influida principalmente por el contenido de cBN, el tipo de aglutinante y la distribución del tamaño de grano. Las muestras con alto contenido en cBN (por ejemplo, DBW85, BN700) mostraron una dureza significativamente mayor que los grados de bajo contenido (por ejemplo, DBC50, BN250). Al mismo tiempo, una estructura de grano mixto ayuda a aumentar la densificación, elevando así los valores de dureza.
Los compactos de PCBN se fabrican normalmente sinterizando directamente una mezcla de cBN y aglutinantes sobre un sustrato de carburo cementado bajo HTHP. Aunque la interfaz inicial se aplana para aproximarse a un plano, la microscopía electrónica revela una clara interdifusión y penetración de material entre la capa de corte de cBN y el sustrato de carburo cementado, mostrando una morfología plana no ideal.
Este comportamiento de penetración se ve influido conjuntamente por la temperatura de síntesis, la presión, el tiempo de mantenimiento, el área de contacto y la composición del material, y constituye el factor decisivo para la resistencia de la unión. Debido a la gran diferencia en los coeficientes de expansión térmica y los módulos elásticos entre la capa de cBN y el carburo cementado, las concentraciones de tensión durante el servicio pueden provocar fácilmente grietas o desprendimientos. Los fallos se concentran sobre todo en la capa de cBN, a unos 0,1 mm de la interfaz.
Por lo tanto, la clave para mejorar la resistencia de la unión reside en promover una interpenetración eficaz entre las dos fases. Aunque hay tres tipos de carburos cementados que pueden servir de sustratos, se prefieren los que presentan un alto módulo elástico y una fuerte afinidad química con el cBN.
El análisis microestructural se llevó a cabo después de pulir finamente las muestras en una máquina pulidora utilizando abrasivos de diamante W10 y W5. Los resultados mostraron que el material de PCBN poseía una microestructura uniforme, con partículas de cBN densamente distribuidas dentro del aglutinante, sin mostrar vacíos ni aglomeraciones evidentes, lo que indica un excelente proceso de fabricación.
Además, los bigotes de Si₃N₄ introducidos presentaban una morfología típica de listón. Esta estructura ayuda a impedir la propagación de grietas, lo que mejora la resistencia global y la tenacidad a la fractura del compuesto de PCBN.
Cuando el tiempo de síntesis y la presión se mantienen constantes, la dureza del compacto aumenta primero con el aumento de la temperatura y luego tiende a estabilizarse. Sin embargo, las temperaturas excesivamente altas pueden provocar la delaminación o la precipitación de vetas metálicas.
Cuando la temperatura y el tiempo de síntesis son constantes, la resistencia al desgaste aumenta con el aumento de la presión, pero se estabiliza tras alcanzar un determinado valor. Un aumento adecuado de la presión provoca una densificación completa del PCBN, reduciendo la porosidad y haciendo que las partículas de cBN se dispongan de forma más compacta.
Según la teoría de la compactación del polvo, una presión más alta provoca una contracción más pronunciada de los poros y un material más denso. La mayor densificación no sólo refuerza la resistencia al desgaste, sino que también mejora la conductividad eléctrica gracias a una red conductora más continua. Esto es muy beneficioso para las operaciones de corte por hilo de mecanizado por descarga eléctrica (EDM).
El PCBN tiene una dureza relativamente baja y es propenso a astillarse durante el corte, lo que limita su aplicación.
El Ti(C,N) combina las ventajas del TiC y del TiN: alto punto de fusión, gran dureza, excelente conductividad térmica y eléctrica y estabilidad química. En las cerámicas compuestas de Ti(C,N)/Al₂O₃, las partículas bifásicas se entrelazan entre sí, inhibiendo el crecimiento del grano y proporcionando un efecto de endurecimiento y refuerzo que mejora las propiedades mecánicas. En las herramientas cermet, el Ti(C,N) mejora significativamente la resistencia a la flexión y la tenacidad a la fractura, manteniendo una magnífica dureza al rojo y un bajo coeficiente de fricción durante el corte a alta velocidad, lo que produce un excelente acabado superficial.
Los experimentos revelaron que el Co puede reducir significativamente el consumo de energía de sinterización de los compactos de alto contenido en PCBN y reducir sustancialmente la resistencia eléctrica, haciéndolos adecuados para el corte por hilo EDM y mejorando la maquinabilidad.
Dado que la composición y la microestructura determinan el rendimiento, es fundamental estudiar la estructura interna del PCBN.
Las observaciones mostraron que el contenido de Co detectado era superior a la cantidad añadida, y también se detectó el elemento W, que no estaba incluido en la formulación bruta. Esto indica que el W y el Co migraron y penetraron desde el sustrato de carburo cementado hasta los poros de la capa de cBN. El volumen de penetración de W y Co en los compactos de alto cBN fue mayor que en las muestras de bajo cBN, lo que puede estar relacionado con los parámetros de síntesis.
Como aglutinante metálico, el Co favorece la sinterización del PCBN y forma soluciones sólidas con el cBN y otros aglutinantes, aumentando así la resistencia a la sinterización. Dentro de un cierto rango, la resistencia a la flexión del PCBN aumenta con un mayor contenido de Co. En consecuencia, los compactos con alto contenido de cBN presentan una mayor resistencia que los de bajo contenido debido a la mayor penetración del Co.
En función de su estructura, los materiales de PCBN pueden dividirse en compactos compuestos con un sustrato de carburo cementado e insertos sólidos (indexables) de PCBN sin sustrato. Las plaquitas macizas pueden utilizarse directamente como plaquitas de corte tras el biselado y rectificado del filo.
Las plaquitas macizas eliminan el riesgo de desprendimiento de la punta causado por fallos de soldadura en los compactos de composite. Ofrecen múltiples filos de corte, lo que reduce el coste por filo, y presentan un rendimiento mecánico y una conductividad térmica superiores. Al final de su vida útil, pueden rectificarse o rebajarse para su reutilización, lo que ofrece un importante valor práctico.
En la aplicación, el tamaño de grano, el contenido y el tipo de aglutinante del cBN deben seleccionarse en función de la pieza de trabajo:
Los tamaños de grano de cBN más finos ofrecen una mayor resistencia al desgaste; los granos finos aumentan el área del límite del grano, mejorando la fuerza de adhesión y la resistencia a la propagación de grietas.
Un mayor contenido de cBN se traduce en una mayor dureza y resistencia al desgaste.
Los diferentes aglutinantes responden a distintos escenarios de aplicación.
Los principios para seleccionar el tamaño de grano del cBN se detallan en la Sección 1.5. Además, durante el montaje, la altura de la "cámara de almacenamiento de gas" debe ser moderada. Si es demasiado pequeña, los gases no pueden escapar de forma eficiente, lo que provoca agujeros y bolsas de gas en la superficie del PCBN. Si es demasiado grande, las sales fundidas pueden infiltrarse fácilmente en la copa de Mo durante la sinterización HTHP, corroyendo el sustrato de carburo cementado y la capa de cBN, lo que degrada el rendimiento. Una altura moderada asegura una desgasificación eficaz al tiempo que evita la infiltración de sales fundidas, garantizando un aspecto del producto sin defectos.
Con el rápido desarrollo de la industria de fabricación de maquinaria, se están adoptando ampliamente materiales difíciles de mecanizar, lo que plantea graves desafíos a las herramientas de corte. El desarrollo de herramientas de corte superduras con alta resistencia al desgaste, excepcional estabilidad térmica y fuerte resistencia al impacto se ha convertido en una tendencia inevitable. El mecanizado de alta eficiencia, el mecanizado duro, el mecanizado en seco, el mecanizado de ultraprecisión y el mecanizado de materiales avanzados difíciles de cortar definen la dirección futura de la industria de herramientas.
Debido a sus ventajas únicas en el procesamiento de metales ferrosos de alta dureza, las herramientas de cBN se han convertido en instrumentos esenciales para lograr un mecanizado de precisión y ultraprecisión.
La dureza y la conductividad térmica del cBN sólo son superadas por las del diamante, y su estabilidad térmica es excepcional: no se oxida cuando se calienta hasta 1000°C en la atmósfera y permanece químicamente inerte frente a los metales ferrosos. Como material para herramientas, el cBN combina una gran dureza, estabilidad e inercia química. Su tendencia a la escisión monocristalina se reduce drásticamente, y el microdesgaste continuo durante el corte deja al descubierto nuevos filos de corte. Se utiliza ampliamente en el corte de alta velocidad, el corte duro, el corte en seco y la fabricación ecológica.
Esta sección ofrece un análisis exhaustivo de estas aplicaciones específicas.
La fabricación ecológica hace hincapié en la conservación de la energía, el ahorro de material, la baja contaminación y la protección del medio ambiente. La forma más eficaz de eliminar los impactos medioambientales adversos de los fluidos de corte es el corte en seco. En comparación con el corte húmedo, el corte en seco puede aumentar significativamente la eficiencia de la producción.
La premisa del corte en seco es que la resistencia del material de la pieza de trabajo disminuye significativamente bajo altas temperaturas de corte. En muchos casos, permite "tornear en lugar de rectificar" y "fresar en lugar de rectificar", consiguiendo una gran precisión y una excelente calidad superficial.
Corte de alta velocidad: Aumenta la eficacia, acorta el tiempo de procesamiento y reduce los costes.
Mayor flexibilidad de fabricación: Alterando la geometría del filo de corte y las trayectorias de avance, pueden mecanizarse piezas complejas. La eficiencia de corte es alta, los tiempos de ciclo son cortos y los costes son bajos. Menos calor de corte entra en la pieza de trabajo, evitando quemaduras superficiales o microfisuras, lo que ayuda a preservar la integridad de la superficie de los componentes críticos. El corte duro no requiere refrigerante, lo que evita la contaminación medioambiental.
Para ahorrar energía y aumentar la eficacia, cada vez más fabricantes utilizan herramientas PCBN para lograr el "torneado en lugar del rectificado" del acero templado. Sin embargo, durante el mecanizado de acero templado, el filo de corte de la herramienta soporta altas presiones, lo que la hace propensa a sufrir microastilladuras y provoca una vida útil inestable de la herramienta.
El método actual más avanzado se basa en el mecanizado en seco con herramientas PCBN.
Los estudios demuestran que la densificación y la durabilidad de los materiales de PCBN no siempre aumentan simétricamente con mayores relaciones de rectificado y dureza. Por lo tanto, no es adecuado utilizar la relación de rectificado y la dureza como únicas métricas para evaluar el rendimiento de corte de los PCBN.
El acero templado se utiliza ampliamente en la fabricación de maquinaria. Debido a su gran dureza, alta resistencia, escasa conductividad térmica, altas temperaturas de corte y tendencia a astillar los bordes, representa un material clásico difícil de mecanizar. Constituye una parte masiva de los materiales mecanizados y tiene un inmenso potencial de mercado. Para este tipo de mecanizado suelen seleccionarse herramientas de PCBN de bajo contenido en cBN.
Para verificar la resistencia al impacto del PCBN, se realizaron experimentos de torneado interrumpido en tres tipos de herramientas: completar 3 pasadas (soportando más de 40.000 impactos interrumpidos) se consideró un punto de referencia para una buena tenacidad al impacto.
En general, la resistencia del PCBN disminuye a medida que se reduce el contenido de cBN. A medida que se amplía la distancia de corte, aumenta progresivamente el desgaste del flanco, aunque la tasa de desgaste varía ligeramente en las distintas etapas.
Aumentar adecuadamente el radio de la punta de la herramienta es beneficioso para la disipación del calor y minimiza el desgaste de la herramienta. Cuando el radio supera los 0,8 mm, la tasa de desgaste tiende a aplanarse. Se recomienda un radio de la punta de la herramienta de R = 0,8-1,0 mm.
En corte continuo (v = 80 m/min), tanto la plaquita A como la B alcanzaron una distancia de corte de más de 5500 m. En condiciones de ligera interrupción, esta distancia descendió a unos 1000 m, y en condiciones de fuerte interrupción, se desplomó a sólo 250-450 m. Esto indica que el modo de interrupción afecta drásticamente a la vida de la herramienta.
En el corte continuo, la fuerza de corte permanece constante. En el corte interrumpido, el ciclo de acoplamiento y desacoplamiento de la pieza de trabajo provoca fluctuaciones drásticas y repentinas tanto en la magnitud como en la dirección de las fuerzas de corte, lo que hace que la herramienta sea muy vulnerable a fallos catastróficos.
En condiciones de corte interrumpido, la vida útil de la herramienta se acorta a medida que aumenta la velocidad de corte:
A v = 120 m/min → la distancia de corte es de aproximadamente 1000 m;
A v = 150 m/min → 500-750 m;
A v = 180 m/min → 250-450 m.
La intensidad de impacto de la interrupción fuerte es aproximadamente 4 veces superior a la de la interrupción suave, y la vida útil de la herramienta cae en picado a medida que aumenta la intensidad de la interrupción.
El desbaste de las seis caras principales de un bloque de cilindros de motor es tradicionalmente el proceso menos eficiente y más caro, y suele basarse en fresas de metal duro revestidas.
Para aumentar la eficacia y reducir costes, una fábrica de motores del suroeste de China adoptó las plaquitas de PCBN sólido desarrolladas de forma independiente por Zhengzhou Halnn Superhard materials Co. Ltd. Realizaron un fresado en seco de alto avance en la cara superior de bloques de cilindros de aleación de hierro fundido, obteniendo resultados muy satisfactorios.
La vida útil de las herramientas de diferentes grados de PCBN varía notablemente, dictada fundamentalmente por sus propiedades: las herramientas de alto contenido en PCBN (por ejemplo, DBW85, BN700) poseen una elevada dureza y una fuerte resistencia al desgaste. Los aglutinantes de Co y Al mejoran la tenacidad y la conductividad térmica, manteniendo las fuerzas de corte reducidas y las temperaturas bajas durante el corte a alta velocidad. Esto minimiza el desgaste mecánico y adhesivo, lo que prolonga la vida útil de la herramienta.
1.Cuando se utilizaron cuatro tipos de herramientas para el corte interrumpido de Hierro Dúctil Austemplado (ADI), la fuerza radial (F_p) fue la mayor, seguida de la fuerza de corte principal (F_c), mientras que la fuerza axial (F_f) fue la menor. Dado que las fuerzas tridireccionales mostraban tendencias similares con las variaciones de velocidad, se eligió la fuerza radial (F_p) como objeto principal de estudio.
2.Las diferentes composiciones de herramientas de PCBN mostraron distintas características de fuerza de corte:
Herramientas de bajo contenido en PCBN (DBC50, BN250): La fuerza de corte aumentó al aumentar la velocidad, con DBC50 > BN250;
Herramientas con alto contenido de BNB (DBW85, BN700): La fuerza de corte varió de forma compleja con la velocidad:
Cuando v < 100 m/min, la fuerza de corte aumentaba con la velocidad.
A medida que v seguía aumentando, la fuerza de corte disminuía.
Cuando v > 150 m/min, la fuerza de corte volvió a aumentar.
Esto indica que la composición del PCBN influye considerablemente en el rendimiento de la herramienta.
1.La diferencia entre la fuerza de impacto máxima y la fuerza cuasiestática (definida como "amplitud de impacto") refleja realmente la magnitud del choque en el momento de entrada y salida. Una diferencia mayor aumenta la probabilidad de astillado del filo.
El experimento constató que la fuerza de impacto primero aumentaba y luego disminuía con la velocidad. Las razones son las siguientes:
2.A velocidades más bajas, el ADI presenta una gran dureza; al aumentar la velocidad de rotación aumenta el impulso total, lo que hace que aumente la fuerza de impacto.
A velocidades más altas, debido a la escasa conductividad térmica del ADI, la temperatura en la zona de contacto entre la herramienta y la viruta aumenta bruscamente, acercándose al punto de reblandecimiento del material. A medida que el material se ablanda, la presión elástica disminuye y el coeficiente de fricción cambia, haciendo que la fuerza de impacto disminuya.
3.Las discrepancias en la vida útil de la herramienta siguen estando dictadas por el rendimiento:
DBW85 y BN700: Alta dureza, alta resistencia al desgaste, con ligantes de Co/Al que mejoran la tenacidad y la conductividad térmica. Ofrecen un bajo desgaste y una larga vida útil a altas velocidades.
DBC50 y BN250: Utilizan aglutinantes TiC/TiN, resisten altas temperaturas pero ofrecen poca resistencia al impacto. Son propensos al astillado durante el corte interrumpido a alta velocidad, lo que provoca un rápido desgaste y una menor vida útil de la herramienta.
La anchura del terreno de desgaste del flanco (VB) se utiliza universalmente como criterio de vida de la herramienta.
1.Efecto del contenido de cBN en la vida de la herramienta: En la fase de 0-1500 m de distancia de corte en seco o húmedo, los volúmenes de desgaste de las herramientas de PCBN50, 60 y 70 no difirieron significativamente. Sin embargo, la tendencia general indicaba que en las condiciones de corte especificadas, un menor contenido de cBN producía un desgaste ligeramente menor del flanco.
2.Efecto del modo de corte en la vida de la herramienta: Tomando como ejemplo el PCBN50, el corte en seco hasta 3000 m dio como resultado un VB = 0,29 mm, mientras que el corte en húmedo dio como resultado un VB = 0,20 mm. Debido a que el fluido de corte proporciona lubricación y acciones de lavado, reduce el desgaste.
El análisis microestructural de la capa superficial de las piezas cortadas en seco indicó que la sección transversal puede dividirse en cuatro zonas características distintas:
1.Capa blanca;
2.Capa negra (capa subsuperficial) bajo la capa blanca;
3.Una zona de transición de aproximadamente 10 μm de espesor bajo la capa negra;
4.La microestructura de la matriz base.
A medida que se intensifica el desgaste de la herramienta, aumentan los espesores de las capas blanca y negra. Por el contrario, el corte húmedo -debido a su efecto refrigerante- mantiene una temperatura de corte más baja; sólo la capa superficial superior se ve ligeramente afectada, dando lugar a una capa blanca fina y difuminada con un contraste mínimo frente a la matriz base. Esto demuestra que el refrigerante suprime eficazmente la formación de la capa blanca y reduce los defectos de la capa superficial.
Las camisas de cilindro se funden frecuentemente por centrifugación a partir de fundición de boro, que requiere una distribución de grafito de tipo A para conseguir una alta resistencia al desgaste y propiedades mecánicas, clasificándolo como un material difícil de mecanizar. El mecanizado de fundición de grafito que contiene P y Cu presenta graves problemas para la vida útil de la herramienta, la rugosidad superficial y las velocidades de corte.
Un ángulo de desprendimiento negativo tiene un efecto pronunciado sobre las temperaturas de corte y el desgaste del flanco. La preparación del filo (bruñido/chaflanado) o las geometrías de herramienta especializadas pueden reducir las temperaturas de corte y prolongar la vida útil de la herramienta.
Las aleaciones de titanio ofrecen una alta resistencia específica, resistencia a la oxidación, excelente resistencia al calor y estabilidad térmica. Se utilizan ampliamente en el sector aeroespacial (su peso estructural en los aviones ha aumentado del 5% a más del 14%), naves espaciales, embarcaciones, automóviles, procesamiento químico y sectores médicos. Sin embargo, su escasa maquinabilidad limita su adopción.
Su escasa maquinabilidad se manifiesta principalmente en:
1.Altas temperaturas de corte;
2.Grandes fuerzas de corte por unidad de superficie;
3.Alta reactividad química;
4.Bajo módulo elástico.
El corte en seco ha evolucionado paralelamente a los avances en los materiales de las herramientas de alta temperatura. Se refiere a un proceso que se basa en herramientas y parámetros específicos para conseguir resultados de mecanizado ideales sin utilizar ningún fluido de corte. Su mecanismo subyacente es que el corte a alta velocidad genera un calor concentrado que se localiza en la zona de corte, ablandando el material de la pieza (disminuyendo su límite elástico) y aumentando así la eficacia del mecanizado.
El PCBN posee una excelente dureza a altas temperaturas y estabilidad térmica, lo que permite utilizar velocidades de corte agresivas. El calor de corte resultante ablanda la pieza de trabajo para facilitar el corte, garantizando al mismo tiempo una vida útil aceptable de la herramienta.
La temperatura de corte se rige principalmente por la velocidad de corte, seguida de la velocidad de avance (cuya influencia se intensifica a medida que aumenta el avance); la profundidad de corte también ejerce un impacto sustancial, que se agrava a medida que aumenta la dureza de la pieza.
Las herramientas de PCBN pueden alcanzar una excelente rugosidad superficial al procesar diversos materiales, superando con creces a las herramientas convencionales de metal duro.
El desgaste de la herramienta afecta directamente a la eficacia, la calidad y el coste del mecanizado. El desgaste durante el corte en seco con PCBN es el resultado acumulativo de múltiples mecanismos concurrentes, en lugar de estar dominado por un único modo aislado.
Autores: Wang Guangzu, Wang Yun, Qin Yu