Conformación de Metales y Procesos de Arranque de Material

La conformación de los metales para la obtención de piezas o perfiles se puede obtener por dos o más procedimientos: **fundición** y **mecanizado**. Los procedimientos más empleados son: conformación por **moldeo**, **deformación y corte**, **soldadura** y **arranque de material**.

Conformación por Moldeo

La conformación por moldeo se realiza fundiendo el material y vertiéndolo en moldes, o también reduciendo a polvo los metales y comprimiéndolos en un molde (proceso de **sinterización**).

Conformación por Deformación y Corte

La conformación por deformación y corte se realiza golpeando o sometiendo a presión los metales, en caliente o en frío.

Conformación por Soldadura

La conformación por soldadura es un procedimiento complementario a los demás, utilizado para unir piezas elaboradas.

Conformación por Arranque de Material

La conformación por arranque de material se puede realizar en forma de **viruta** (con máquinas-herramientas de cuchillas), en forma de diminutas partículas (por **abrasión**), o por **erosión** (**electroerosión**). Es el único procedimiento que permite obtener piezas con alta precisión en sus dimensiones.

1.2 Metales y Aleaciones para Conformar por Arranque de Material

La **mecanización** es el procedimiento de fabricación que se aplica a la mayor parte de materiales. Hay materiales que se mecanizan más fácilmente que otros. Esto se denomina **maquinabilidad**.

1.3 Maquinabilidad

La **maquinabilidad** es la aptitud de los materiales para ser conformados por mecanización en máquinas-herramientas por arranque de material. Se mide por medio de ensayos en los que se valora: la duración del afilado de la herramienta, la velocidad de corte, la fuerza de corte, el trabajo de corte, la temperatura y la viruta.

También depende de la composición del material, su **dureza** y **tenacidad**.

1.4 Procedimientos de Conformación por Arranque de Material

Las **máquinas-herramientas** utilizadas actualmente emplean cuchillas, abrasivos, chispas eléctricas y ultrasonidos. Los nuevos procedimientos incluyen la **electrólisis**.

1.5 Arranque de Material por Medio de Cuchillas

La primera herramienta fue el **buril** (escarpe), una barra rectangular de acero acabada en punta. Ejemplos de máquinas son la **limadora**, la **cepilladora**, el **torno** y la **fresadora**.

1.6 Características del Trabajo de las Herramientas de Corte

Las herramientas de corte deben cumplir las siguientes condiciones:

• Arrancar la mayor cantidad de material en el menor tiempo posible.
• Dejar las superficies perfectamente acabadas.
• Mecanizar cualquier material por duro que sea.
• Terminar el trabajo con el menor número de afilados posibles.
• Realizar las operaciones al menor costo.
• Dureza: es la resistencia a la penetración de un material; a mayor dureza, mayor fragilidad.
• Tenacidad: es la resistencia a romperse; a mayor tenacidad, menor fragilidad.

Hay que tener en cuenta el tipo de herramientas y la máquina que se ha de emplear, la clase de trabajo y el material a mecanizar. Por ejemplo, una herramienta moderna no debe utilizarse en un torno antiguo.

1.7 Materiales para Herramientas de Corte

Los materiales empleados son:

• Aceros al carbono: Tienen un contenido entre el 0,90% y el 1,40%. Poseen gran dureza, buena tenacidad y resistencia al desgaste, pero no pueden emplearse a temperaturas superiores a 250ºC. Se utilizan para pequeños trabajos, operaciones a baja velocidad y para herramientas con ángulos muy definidos. Actualmente, están obsoletos.
• Aceros aleados: Contienen carbono, cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Se distinguen tres clases principales: aceros indeformables (mayor resistencia al desgaste), aceros al wolframio (para brocas, con un 1% de wolframio) y aceros semirrápidos (para la fabricación de cuchillas). También están obsoletos.
• Aceros rápidos (HSS): Trabajan a temperaturas de hasta 600ºC, conservando su dureza y filo inicial, lo que permite velocidades de corte superiores. Existen varias clases: aceros rápidos al wolframio, al cobalto y al molibdeno.
• Estelitas: No son aceros, sino aleaciones de cromo-cobalto-wolframio con porcentajes inferiores de otros elementos como hierro, carbono, silicio y magnesio. Se fabrican a temperaturas superiores a 1300ºC y se mecanizan mediante muelas. Permiten trabajar con velocidades altas y soportan temperaturas de hasta 700ºC sin perder el filo. Su principal inconveniente es que son frágiles. Están desapareciendo de los talleres.
• Carburos metálicos sinterizados (Widia): Se denominan comúnmente **Widia** y están compuestos por carburo de wolframio y cobalto. Tienen una dureza de 9,7 en la escala de Mohs y una densidad de 14. Resisten sin desafilarse a temperaturas superiores a 800ºC y permiten velocidades muy altas, aunque son relativamente frágiles. Se presentan en forma de plaquitas que se montan en mangos adecuados.
• Diamantes: Se utilizan para mecanizar materiales como ebonita, ciertos bronces y aleaciones de aluminio. No son aptos para materiales ferrosos. Son muy frágiles; las virutas se eliminan por aire y la lubricación se realiza con petróleo o aceites solubles. Sus puntas no son afiladas, sino redondeadas.
• Cerámicas: Están formadas por óxido de aluminio sinterizado casi puro. Son materiales porosos de gran dureza, pero muy frágiles. Pueden resistir temperaturas de hasta 1200ºC sin desafilarse y permiten velocidades muy altas.

1.8 Tratamientos Térmicos de las Herramientas de Corte

Las herramientas de acero se **templan** y **revienen** para conferirles dureza y tenacidad. En ocasiones, se aplica un tratamiento de **nitruración** para aumentar la resistencia al desgaste. La **sulfinuzación** se utiliza para incrementar la duración de las brocas, y el **cromado duro** para disminuir el coeficiente de rozamiento.

Coronite: Es un material intermedio entre el acero rápido y los metales duros. Su matriz es de acero termotratado o nitrurado. Sus aplicaciones incluyen fresas para ranurar y el mecanizado de acero, aleaciones de titanio y aleaciones ligeras.

Últimas tendencias en herramientas de corte: **metal duro recubierto (Widia)**. Los recubrimientos pueden ser de uno o varios materiales, como **TiN (nitruro de titanio)**, **Al₂O₃ (alúmina)** o **TiCN (carbonitruro de titanio)**, o tratamientos contra la difusión. El espesor puede ser de hasta 12 micras.

Las últimas tendencias en **Widia** incluyen recubrimientos de **PVD (deposición física de vapor) de diamante** o **PCBN (nitruro de boro cúbico policristalino)**, con un espesor de 0,5 micras.

Características Formales de las Herramientas de Corte

2.1 Características de una Cuchilla Elemental

La herramienta de corte más sencilla es la **cuchilla recta**, formada por una barra cuadrada cuyo extremo está afilado en forma de cuña. Se apoya en el soporte de la máquina por una de sus caras, la **base**, que sirve como referencia para situar las demás superficies.

Los elementos principales son:

• Filo: arista cortante.
• Superficie de desprendimiento: es la cara de la cuña sobre la que se desliza el material desprendido (viruta).
• Superficie de incidencia: es la cara de la cuña que queda frente a la superficie trabajada.

Los ángulos característicos son:

• Ángulo de incidencia del filo principal (α): es el ángulo agudo formado por la superficie de incidencia y un plano perpendicular al plano base que pasa por el filo.
• Ángulo de incidencia secundario (α₁): se forma cuando la cuchilla se afila el mango con un ángulo denominado ángulo de incidencia secundario, que es dos veces mayor que α.
• Ángulo de filo (β): es el ángulo que forman las superficies de incidencia y de desprendimiento o ataque.
• Ángulo de desprendimiento (γ): es el ángulo agudo formado por la superficie de desprendimiento y el plano paralelo al plano base que pasa por el filo. La relación entre los ángulos es: γ + β + α = 90º.
• Ángulo de corte: es el ángulo comprendido entre la superficie de desprendimiento de la cuchilla y un plano perpendicular al plano base que pasa por el filo.

Cuando la cuchilla no ataca frontalmente, sino lateralmente, su extremo acaba en punta. Se distingue un **filo principal** (o de corte) y un **contrafilo**. Sus ángulos característicos son:

• Ángulo de incidencia del contrafilo (α’): es el ángulo formado por la superficie de incidencia secundaria y el plano perpendicular al plano base que pasa por el contrafilo.
• Ángulo de oblicuidad del filo principal (θ): es la proyección sobre el plano base del ángulo agudo formado por una perpendicular al contrafilo, con la paralela al eje de la cuchilla que pasa por la punta de la herramienta.
• Ángulo de punta (ε): es la proyección sobre el plano base del ángulo formado por el filo y el contrafilo.
• Ángulo de inclinación longitudinal (λ): es el ángulo agudo que forman las intersecciones de un plano perpendicular al plano base que pasa por el eje de la herramienta, con la superficie de desprendimiento y el plano base.
• Ángulo de inclinación del filo (ω): es el ángulo formado por el filo principal con el plano base.
• Ángulo de posición (χ): es la proyección sobre el plano base del ángulo formado por el filo con el plano de la superficie trabajada o con el eje de rotación de la pieza si es cilíndrica. Si el eje de la herramienta es perpendicular al plano de la superficie, el ángulo de posición coincide con el ángulo de oblicuidad.

Las cuchillas realizan su trabajo en tres direcciones principales: de **corte** (tangente a la superficie de la pieza), de **penetración** (perpendicular a la superficie de la pieza) y de **avance** (paralela a la superficie de la pieza).

2.2 Influencia del Ángulo de Incidencia

Si el ángulo de incidencia es demasiado pequeño, la cuchilla no penetra bien y roza, lo que eleva su temperatura y la desafila. Si es demasiado grande, el filo es frágil y no está bien apoyado. El ángulo correcto dependerá del material de la herramienta, del material a mecanizar, y de su avance y profundidad. Cuanto más duro sea el material, más pequeño debe ser el ángulo para resistir mejor la fuerza. Lo mismo aplica para el ángulo de incidencia secundario.

2.3 Influencia del Ángulo de Desprendimiento

El ángulo de desprendimiento influye en el ángulo de doblado de la viruta. Si es pequeño, la energía consumida es excesiva y la herramienta se calienta. Si es grande, el filo está debilitado, pero la viruta se separa mejor y se obtiene un mejor acabado. El ángulo más adecuado es el mayor posible sin que se rompa el filo: pequeño para desbastar y grande para acabar. Si el material es poco tenaz, se usarán ángulos pequeños. En bronce, que es frágil, el ángulo será casi nulo; en aceros, serán pequeños. Los ángulos negativos se utilizan para los carburos metálicos sinterizados.

2.4 Influencia del Ángulo de Oblicuidad del Filo Principal

Este ángulo influye en las condiciones de trabajo de la herramienta, en el espesor y anchura de la viruta, y en la presión sobre el filo. Puede variar de 0º a 90º. Si el ángulo es de 90º, el espesor de la viruta es igual al avance por vuelta; si es menor de 90º, el espesor es menor que el avance. Al variar el ángulo con el mismo avance, varía el espesor y aumenta la anchura. Para materiales duros, se recomiendan avances muy pequeños y ángulos muy pequeños para aumentar la anchura de la viruta.

2.5 Influencia del Ángulo de Oblicuidad del Contrafilo

Suele ser de unos 5º para asegurar la máxima duración de la herramienta.

2.6 Influencia del Ángulo de Inclinación Longitudinal

Este ángulo influye en la dirección de salida de la viruta, la robustez de la punta de la herramienta y la fuerza de deformación de las piezas. Si el ángulo es nulo, las virutas saldrán paralelamente al eje de la pieza; si es positivo, saldrán en dirección opuesta a la pieza.

Si el ángulo es positivo, la fuerza tiende a acercar la pieza a la cuchilla; si es negativo, tiende a separar la pieza de la cuchilla, lo cual es útil para piezas cóncavas y convexas. La inclinación negativa hace trabajar el filo a **compresión**, mientras que la positiva lo hace a **flexión**. La inclinación negativa somete el filo a una presión constante que reduce las vibraciones y los choques durante el desbaste, ya que la parte que inicia el corte no es la punta, sino una zona más retrasada y resistente.

2.7 Enlace del Filo y Contrafilo

El enlace del filo y contrafilo se puede realizar por dos procedimientos: mediante un **arco de círculo** o por **chaflán**. El arco de círculo puede ser tangente a los dos filos con su centro en una bisectriz del ángulo de enlace, o bien desplazado en sentido contrario al filo para disminuir la presión sobre la superficie trabajada.