Estudio experimental y numérico del torneado de inconel 718 con herramientas PCBN en condiciones de acabado a alta velocidad de corte

Resumen

La industria aeronáutica es un sector en continua evolución y crecimiento siendo necesario el desarrollo de materiales avanzados que posean mayores prestaciones. Las superaleaciones de base níquel, y en concreto la aleación Inconel 718, se usan en turbinas de aeronaves por sus excelentes propiedades mecánicas, su elevada resistencia a altas temperaturas y la presencia de cromo que proporciona una elevada resistencia a oxidación y corrosión. Estas propiedades, junto con su elevado endurecimiento por deformación, baja conductividad térmica y la presencia de carburos que provoca una elevada abrasión sobre la herramienta de corte hacen que las superaleaciones de base níquel se encuentren entre los materiales con menor maquinabilidad. Además, en la definición de los procesos finales de acabado debe considerarse que en las aplicaciones de estos materiales en sistemas de propulsión en el sector aeroespacial se imponen altas exigencias en cuanto a calidad superficial y control de integridad. Esto hace que el mecanizado de esta aleación haya sido ampliamente estudiado por numerosos investigadores. Para garantizar el adecuado control del daño debido al mecanizado, en las operaciones de acabado es necesario emplear herramientas con afilados agudos y geometrías positivas, que convencionalmente llevan a la necesidad de emplear herramientas de corte de metal duro. La baja maquinabilidad de las superaleaciones base níquel hace necesario emplear bajas velocidades de corte y asumir un rápido desgaste de las herramientas y en consecuencia reducidas vidas de las mismas. La aparición de nuevos materiales de corte basados en nitruro de boro cúbico (CBN) con menor contenido de CBN y mayor tenacidad ha permitido desarrollar herramientas comerciales de tipo PCBN (nitruro de boro cúbico policristalino) con afilados suficientemente agudos como para ser aplicadas en el acabado de superaleaciones base níquel, permitiendo mantener la integridad superficial del componente, y empleando velocidades de corte muy superiores a las recomendadas para herramientas de metal duro. Actualmente, existe poca información en relación con la aplicación de herramientas PCBN en operaciones de mecanizado de acabado de estos materiales. Debido a la reducida maquinabilidad de las superaleaciones de base níquel se recomienda emplear fluido de corte para reducir la temperatura en la interfaz de contacto, la fricción y para facilitar la evacuación de la viruta. Sin embargo, debido a los costes asociados al fluido de corte y a su impacto medioambiental por ser un residuo peligroso se buscan alternativas que reduzcan su uso o incluso permitan su eliminación. En trabajos previos desarrollados por investigadores del grupo de investigación FABDIS en el que se ha desarrollado la tesis se ha determinado que en determinadas condiciones es posible el mecanizado de acabado en seco de Inconel 718 empleando herramientas de metal duro. Sin embargo, todavía no se ha determinado la viabilidad del mecanizado en seco con herramientas PCBN. Por otro lado, existen otras estrategias de refrigeración como la introducción de fluido de corte a alta presión con las que se han obtenido buenos resultados en mecanizado de Inconel 718 en relación con la reducción del desgaste de la herramienta de corte. La refrigeración a alta presión presenta una mayor capacidad para introducirse en las interfases herramienta-viruta-pieza y facilitar la rotura de la herramienta. Con ello, se reduce el área de contacto y la fricción con lo se obtienen menores fuerzas de mecanizado y temperaturas en la zona de corte. El objetivo principal de la tesis es el estudio del desgaste de las herramientas PCBN en operaciones de acabado en torneado de Inconel 718 para un amplio rango de parámetros de corte con diferentes condiciones de refrigerante: seco, fluido a presión convencional y fluido a alta presión. Para ello, se emplearon dos metodologías de estudio. Por un lado, se ha realizaron ensayos de mecanizado con un amplio rango de parámetros de corte, tipos de herramientas PCBN y aplicando diferentes técnicas de refrigeración. Para disponer de resultados en condiciones de mecanizado industriales convencionales, también se realizaron ensayos empleando herramientas de metal duro. La segunda metodología aplicada consistió en el desarrollo de modelos numéricos basados en elementos finitos para analizar magnitudes implicadas en el mecanizado de difícil determinación experimental. El principal objetivo de estos trabajos fue determinar la viabilidad de aplicar herramientas PCBN al acabado de Inconel 718 y determinar la influencia de las condiciones de corte en la productividad del proceso y en la integridad superficial del componente. Para alcanzar el objetivo principal fue necesario completar los siguientes objetivos parciales: - Realizar ensayos de torneado en operaciones acabado de Inconel 718 con herramientas PCBN. Estos ensayos tendrán como finalidad analizar la viabilidad de las herramientas PCBN al mecanizar Inconel 718 en comparación con las herramientas de carburo cuya viabilidad ya ha sido demostrada. Además, la integridad superficial obtenida en el mecanizado se analizó debido a la importancia que tiene en operaciones de acabado de componentes de elevada responsabilidad. Para la consecución de este objetico se ensayó un amplio rango de parámetros de corte y diferentes herramientas. - Determinar la influencia de distintas estrategias de refrigeración en el mecanizado de acabado de Inconel 718 con herramientas PCBN. Se analizaron tres técnicas diferentes: Ausencia de fluido de corte, fluido de corte a presión convencional (7,5 bar) y fluido de corte a alta presión (70 bar). - Desarrollo y validación experimental de un modelo numérico 2D de corte ortogonal de Inconel 718 con herramientas PCBN. El objetivo de este modelo fue profundizar en el conocimiento de variables en la zona de corte de difícil medición como temperaturas, longitud de la zona de contacto herramienta-viruta o deformaciones en el material. Para el desarrollo del trabajo experimental descrito fue necesario desarrollar una metodología que permitiera determinar con precisión las fuerzas de mecanizado, el desgaste y vida de herramienta y la calidad superficial obtenida en los ensayos realizados. Las principales conclusiones obtenidas a partir del trabajo experimental realizado fueron las siguientes: - Se ha confirmado la viabilidad de mecanizar Inconel 718 con herramientas de metal duro en seco. Sin embargo, las vidas de herramienta en todos los ensayos realizados con las distintas herramientas PCBN consideradas fueron muy reducidas (entre 0,2 a 1,2 minutos). Estas duraciones hacen imposible su aplicación en procesos industriales. - En las operaciones de acabado en seco de Inconel 718 con herramientas PCBN se observó una relevante inestabilidad en el corte por lo que fueron predominantes los mecanismos de desgaste relacionados con la fragilidad de la herramienta, principalmente el desgaste de entalla. La reducción de la profundidad de corte mejoró el comportamiento de las herramientas. - En los ensayos con herramienta PCBN con fluido de corte a presión convencional y a alta presión el desgaste dominante fue de tipo abrasivo (desgaste de flanco). También se observaron otros tipos de desgaste como astillado de filo, entalla y adhesión de material, pero con una progresión más lenta. - La utilización de refrigeración incrementó notablemente la vida de herramienta de las herramientas PCBN obteniéndose duraciones de en torno a 10 minutos para velocidades de corte de 300 m/min, muy superiores a las empleadas en los procesos convencionales de acabado con herramientas de carburo. Se confirma por tanto la viabilidad de aplicar de emplear herramientas PCBN en procesos de acabado de Inconel 718. - En los ensayos con herramientas de metal duro con fluido de corte se obtuvieron vidas de herramienta más elevadas que en los ensayos con herramienta PCBN. Sin embargo, en los procesos con herramienta PCBN se emplean velocidades de corte muy superiores por lo que se consiguen mayores superficies mecanizadas por filo y mayores superficies mecanizadas por unidad de tiempo. - La aplicación de fluido de corte a elevada presión (70 bares) aumenta la duración de la herramienta hasta un 30% en relación con la obtenida con fluido de corte a presión convencional (7,5 bares). - De las 4 herramientas PCBN comerciales ensayadas, los mejores resultados se obtuvieron para la herramienta con designación 7015 (Sandvik). Se trata de una herramienta con preparación del filo elíptica que combina una elevada tenacidad con un corte suave con mayor estabilidad y menores fuerzas de mecanizado. Se concluye que la microgeometría de la arista de corte tiene una influencia relevante en el comportamiento de la herramienta en este tipo de procesos. - Tanto en los procesos de acabado con herramienta PCBN a presión convencional, como a alta presión, en los ensayos con la velocidad de corte mínima (200m/min) y reducida sección de viruta (avance y/o profundidad de pasada reducida) se observó una mayor inestabilidad en el corte y por ello la aparición de roturas frágiles, especialmente en la zona de la entalla. Estos fenómenos pueden provocar la rotura prematura de la herramienta por lo que deberían evitarse estas condiciones de corte para la aplicación de herramientas PCBN en operaciones de acabado de Inconel 718. - En las operaciones de acabado de Inconel 718 con herramientas PCBN empleando fluido de corte se obtuvieron buenos acabados superficiales con valores de rugosidad con menor variabilidad que los obtenidos con herramientas de carburo. La rugosidad superficial es un parámetro relacionado con la integridad superficial del componente y por tanto de gran relevancia en procesos de fabricación de componentes de elevada responsabilidad. El efecto del fluido de corte a alta presión no supuso una mejora en la rugosidad superficial en relación con la refrigeración a presión convencional. Con el fin de profundizar en el conocimiento de los procesos de acabado de Inconel 718 con herramientas PCBN se desarrolló y validó experimentalmente un modelo numérico 2D basado en elementos finitos considerando las preparaciones de filo de las herramientas que dieron los mejores resultados en los ensayos de desgaste: 7015, Sandvik (filo elíptico) y CBN170, Seco (filo redondeado). En concreto, el modelo se validó mediante ensayos de corte ortogonal realizados con la herramienta de filo redondeado (CBN170). Se obtuvo una buena correlación entre resultados experimentales y numéricos con un error inferior al 15 % en términos de fuerza de corte. Las principales conclusiones obtenidas del análisis de los resultados del modelo numérico fueron las siguientes: - La reducción del avance presentó una disminución considerable de las componentes de fuerza de corte similar a la obtenida experimentalmente. Sin embargo, el efecto de la velocidad de corte en las componentes de las fuerzas no fue tan significativo como el observado experimentalmente. Esto se debe posiblemente al hecho de que el modelo no reproduce el efecto de las pasadas sucesivas, que tiene una influencia notable en la distribución de temperaturas en la pieza y por ende en el comportamiento mecánico de la misma. - Para la geometría de filo elíptico se obtuvieron valores de las componentes de la fuerza de mecanizado inferiores a las obtenidas con el filo redondeado. La fuerza de corte se redujo entre un 1 % y un 8 %. La reducción fue más significativa para la componente de la fuerza de avance (entre el 18 % y el 25 %). La reducción en las componentes de la fuerza de mecanizado, especialmente la fuerza de avance se correlaciona con los valores de fuerza medidos en los ensayos de desgaste, y se debe a que la herramienta con filo redondeado, al tener un radio aparente mayor, provoca que fluya una cantidad superior de material bajo la herramienta provocando un empuje en la dirección de avance. - La longitud de contacto proyectada presentó una tendencia similar en los dos afilados de herramienta PCBN para las velocidades de corte y avances estudiados. La herramienta con afilado redondeado presentó valores superiores de longitud de contacto proyectada debido a que la viruta presenta mayores niveles de deformación y temperatura. El aumento del avance supuso un incremento de la longitud de contacto proyectada. En cambio, se observó que el aumento de la velocidad de corte produjo un ligero descenso de la longitud de contacto. - La temperatura máxima alcanzada en la pieza de trabajo se estabilizó durante los primeros instantes de corte en la zona de la punta de la herramienta cerca de la superficie de incidencia. Se obtuvieron valores elevados de temperatura entre 800 ºC y 1000 ºC. El incremento de la velocidad de corte supuso un aumento considerable de las temperaturas en la pieza de trabajo, el aumento del avance produjo una tendencia similar, pero con un crecimiento menor. En las simulaciones correspondientes a la herramienta con filo redondeado se observaron temperaturas superiores en la pieza de trabajo, principalmente en la zona debajo del filo de corte. Este efecto también se relaciona con el radio aparente superior que incrementaba el material que fluía bajo la herramienta y por consiguiente los niveles de deformación y temperatura. - La evolución de la temperatura en la herramienta se analizó durante la longitud de corte simulada final de 8 mm. Se observó que, para avances de 0,05 mm, la temperatura máxima se localizaba en la zona del filo de corte en la que se producían las máximas deformaciones. Sin embargo, para avances superiores, en las 2 geometrías de filo de corte modelizadas la temperatura más elevada se obtenía en la superficie de desprendimiento. Este resultado es coherente con la aparición de desgaste de cráter en esta zona observada en los ensayos realizados en dichas condiciones de mecanizado. Este efecto se debe principalmente a que la contribución de la zona secundaria de generación de calor es superior al aumentar el avance, debido a la contribución por conducción del calor generado en la zona primaria más el calor generado por la fricción entre viruta-herramienta con una mayor longitud de contacto cuanto mayor es el avance. - Para la herramienta con geometría de filo redondeado se observó una mayor altura del punto de estancamiento. La mayor cantidad de material que fluye bajo la herramienta, hace que debido a la recuperación elástica de ese material se produzca fuerza de empuje superior (ploughing force) cuanto mayor sea la altura punto de estancamiento. Esto explica los mayores valores de la fuerza de avance obtenidos para la geometría de filo redondeada. El incremento de la velocidad de corte supuso un descenso de la altura del punto de estancamiento, mientras que el aumento del avance supuso un incremento de la altura. - Se observaron distintas morfologías de viruta para los parámetros de corte modelizados, principalmente viruta continua y serrada. Para el avance menor (0,05 mm) se observó una viruta continua con un espesor de la viruta constante. Sin embargo, a medida que se aumentaba el avance y la velocidad de corte se observó una mayor tendencia a que apareciese una viruta serrada. Al comparar las dos preparaciones de filo se observó que el aumento del radio aparente supuso un aumento del espesor de viruta y del ángulo de los dientes de la viruta serrada. La investigación realizada en la tesis podría completarse desarrollando gran cantidad de líneas de trabajo tanto en el ámbito experimental como en el numérico. Se considera de especial interés extender el estudio a otras superaleaciones de base níquel como la aleación Haynes 282 y a otras condiciones de refrigeración como MQL (mínima cantidad de lubricante) o mecanizado criogénico. También se obtendrían resultados complementarios valiosos desarrollando estudios orientados a profundizar en el conocimiento del daño en el componente debido a mecanizado como determinación de tensiones residuales o microdureza en la superficie mecanizada.