La maquinabilidad de los metales, es la capacidad que ofrece un material al ser mecanizado. En la actualidad, existe un gran número de materiales, de muy diversos tipos, plásticos, aleaciones termorresistentes al calor, aceros inoxidables, aceros templados, aceros bonificados, aleaciones no ferrosas, etc.
Para medir la maquinabilidad de los metales, se usa un material como punto de referencia o patrón, para medir su porcentaje de maquinabilidad. Un material que ofrezca un porcentaje alto de maquinabilidad, nos va a indicar, que un material es fácil de mecanizar. Estos materiales tienen que estar por encima del 100% de maquinabilidad, respecto al patrón de referencia.
Por ejemplo el aluminio, tiene más de un 300% de maquinabilidad. Algunos materiales, como los plásticos pueden llegar al 400%.
En cambio, un material que tiene un porcentaje pequeño de maquinabilidad, quiere decir que es un material difícil de mecanizar. Por ejemplo, las aleaciones termorresistentes al calor, como Inconel 718, ofrece una maquinabilidad del 11%.
¿Cuál es el Punto de Referencia para la Maquinabilidad de los Metales?
El punto de referencia para calcular la maquinabilidad de los metales, es el acero SAE 1112. En las normas europeas (W.NR), su identificación es: 1.0721 y según DIN: 10S20.
En la antigua norma UNE (España), no existe una equivalencia directa con este material. Puede llegar a confundirse con el acero F-1112, pero su composición es diferente al acero SAE 1112.
¿Por qué se Utiliza el Acero SAE 1112, Como Punto de Referencia para la Maquinabilidad de los Metales?
Se utiliza el acero SAE 1112, como punto de referencia, porque es un acero con bajo contenido en carbono (0.12%). Además, presenta un buen equilibrio entre dureza, resistencia y facilidad para ser mecanizado.
Su composición estructural, permite un mecanizado fácil y uniforme. Su composición es la siguiente:
- Carbono (C): Entre 0.07% y 0.13%.
- Manganeso (Mn): Entre 0.7% y 1%.
- Silicio (Si): Entre 0.16 y 0.23%.
El acero SAE 1112, al tener una composición equilibrada, consigue un porcentaje de 100% en cuanto a su maquinabilidad.
¿Por qué es Importante Conocer el Porcentaje de Maquinabilidad de los Metales?
Conocer el porcentaje de maquinabilidad de los metales, es un aspecto muy importante, ya que de ello van a depender prácticamente todo lo que nos influye en el mecanizado. Tenemos que usar la herramienta de corte adecuada, al material que tenemos que mecanizar.
La selección adecuada de la herramienta de corte, acorde al material que tenemos que mecanizar, es tan importante, que de ello va a depender los tiempos de mecanizado y con ello la rentabilidad de nuestro trabajo.
Los materiales de baja maquinabilidad, se necesita una mayor potencia de corte para ser mecanizado. Las herramientas de corte, son más propensas al desgaste y al astillamiento. Para mecanizar materiales, con una baja maquinabilidad, se usan unas velocidades de corte más lentas, en comparación con los materiales con una alta maquinabilidad.
Lo que se traduce por norma general en mecanizados más lentos. Decimos en general, porque las grandes marcas, cada día están sacando herramientas de corte más avanzadas, pudiendo mecanizar materiales con una baja maquinabilidad de una forma rápida.
Los materiales con una alta maquinabilidad, necesitan de una menor potencia de corte para ser mecanizados. Las herramientas de corte son más duraderas en comparación con las de baja maquinabilidad.
Se usan velocidades de corte más altas, que pueden superar hasta en 5 veces las de los materiales con baja maquinabilidad. Los mecanizados de materiales con alta maquinabilidad, son más rápidos.
En nuestras formaciones, siempre hacemos referencia a la importancia de la maquinabilidad de los metales. Necesitamos esta información, para hacer un planteamiento adecuado del mecanizado, usar los procesos de mecanizado adecuados para cumplir sus tolerancias y aplicar los grados de metal duro adecuados, para cada tipo de material.
¿Cómo se Calcula la Maquinabilidad de los Metales?
Para calcular la maquinabilidad de los metales, debemos de tener información detallada del material que usamos como punto de referencia. Cómo hemos indicado el material de referencia es SAE 1112. Este material tiene una dureza Brinell (HB) de 160 HB, por otro lado su velocidad de corte es de 100m/min a 150m/min para aplicaciones generales.
Podemos calcular la maquinabilidad de los materiales, de varias maneras. Según su fuerza de corte específica (Kc 1.1), según su factor de curva (Kc), según su velocidad de corte (Vc), según su dureza Brinell (HB), etc. Es cierto que en la práctica, unas formas son más exactas y aproximadas a la realidad.
Por ejemplo, conociendo su velocidad de corte, no es un aspecto muy fiable para conocer la maquinabilidad de los metales. Existen una gran variedad de aplicaciones de carburo de tungsteno, con diferentes grados, geometrías y recubrimientos. Si por ejemplo usáramos una misma herramienta de corte, que fuera válida para dos grupos de materiales distintos, podríamos calcularlo de una forma aproximada.
Tenemos que destacar que las velocidades de corte de las herramientas, siempre son aproximadas y tendremos que reajustar las condiciones de corte de acuerdo a diversos factores.
Conociendo la dureza del material, es una buena forma de poder calcular la maquinabilidad de los materiales. La gran mayoría de los materiales, su dureza viene expresada en dureza Brinell (HB). Decimos la mayoría, ya que hay materiales que superan la escala Brinell (HB) y para expresar su dureza tenemos que irnos a la escala de dureza Rockwell C (HRC).
Los materiales templados, su dureza se expresa en dureza Rockwell (HRC). Por ejemplo un acero de herramientas, como el acero 1.2379, con un tratamiento térmico de recocido, temple y revenido, puede alcanzar una dureza de 64 HRC.
¿Cómo Convertir la Dureza Rockwell C (HRC) a Dureza Brinell (HB), para Calcular la Maquinabilidad de los Metales?
Para convertir la dureza Rockwell C (HRC) a dureza Brinell (HB), tenemos que realizar el siguiente cálculo:
HB = (10 × HRC) + 30
Vamos a coger el ejemplo del material anterior 1.2379 con 64 HRC. Vamos a pasarlo a dureza Brinell.
HB = (10 x 64 HRC) + 30 = 670 HB
Fórmula para Calcular la Maquinabilidad de los Metales
Sabemos que la dureza Brinell de nuestro material de referencia SAE 1112, es 160HB y equivale al 100% de maquinabilidad. Podemos hacer una regla de 3 simple, para calcular el porcentaje de maquinabilidad del acero 1.2379 tratado térmicamente con 64HRC o lo que es lo mismo 670 HB.
100% de maquinabilidad = 160 HB. 670HB = X
X = (160/670) x 100
X = 23,88% redondeamos 24%.
El acero 1.2379 con 64 HRC, tiene una maquinabilidad del 24%. Este material, va a ofrecer gran resistencia al mecanizado por arranque de viruta.
Este ejemplo es un caso especial, ya que el material no se encuentra en su estado natural. Ya que se le han aplicado mejoras con los tratamientos térmicos. Como podemos ver los tratamientos térmicos, son otro aspecto a tener en cuenta, en la maquinabilidad de los metales.
En el 90% de los casos se utilizan para mejorar sus propiedades mecánicas. Al mejorar sus propiedades mecánicas ofrecen una resistencia mayor al ser mecanizados.
No existe un parámetro que defina con exactitud la maquinabilidad de un metal. A la hora de mecanizar, debemos de observar cómo se comporta la herramienta de corte, la máquina CNC, posibles vibraciones que puedan surgir, color y tamaño de la viruta, etc. El porcentaje de maquinabilidad, es solo un factor más de todos los que influyen en el mecanizado.
Adaptar la Velocidad de Corte a la Maquinabilidad de los Metales
Como ya hemos indicado, la maquinabilidad de los metales, no es un parámetro único y 100% medible. Nos puede dar una pequeña orientación, sobre lo que nos vamos a encontrar en la máquina.
Con las velocidades de corte, nos pasa exactamente lo mismo. Muchos fabricantes de herramientas, nos dan un máximo y mínimo de rango de velocidad de corte (Vc), para una misma aplicación. Muchos comerciales de herramientas de corte, enseñan videos, dónde las condiciones son las más ideales con las que te podrías encontrar.
Aunque después, en la práctica, torneros y fresadores, sabemos que debemos de adaptar la velocidad de corte (Vc), junto con los parámetros de fresado, al mecanizado que estamos haciendo.
Lo que más recomendamos es en ir probando e ir ajustando las condiciones de corte, de la forma más óptima posible. Una vez que tenemos las condiciones optimizadas, nos puede servir como referencia para ajustar las condiciones de corte con otro material.
Al igual cuando hablamos del material patrón para verificar el porcentaje de maquinabilidad, para ajustar la velocidad de corte, se hace de la misma forma. Vamos a poner un ejemplo, con el mismo material que habíamos seleccionado anteriormente. 1.2379 tratado térmicamente, con una dureza de 64HRC.
Previamente, calculamos su porcentaje de maquinabilidad y dijimos que era del 24%. Por otro lado la velocidad de corte del material patrón SAE 1112 es de 100 a 150m/min, según su aplicación.
En este ejemplo, vamos a realiza un proceso de fresado y vamos a seleccionar la velocidad de corte más alta 150 m/min. Ahora tenemos que volver hacer otra regla de 3 para calcularlo.
Vc 150m/min = 100% con que 24% es = X. X = (150 x 24) /100 = 36 m/min.
Como podemos ver, es una velocidad de corte bastante pequeña, dado que la dureza del material es muy alta. Con estos calculamos, podemos hacernos una ligera idea de en qué velocidades de corte podemos andar.
Aunque en el caso del acero 1.2379 tratado térmicamente, se utiliza herramienta específica para material templado y las velocidades de cortes, son más altas de lo que hemos obtenido en las fórmulas.
Llegado a este punto la experiencia es la que más te va a enseñar a la hora de ajustar las velocidades de corte. Podríamos decir que lo más importante es elegir la calidad, geometría y recubrimiento adecuado de la herramienta de corte a utilizar.
Además de que tenemos que ver otros factores, como los económicos. Herramienta específica para aplicaciones dedicadas, requiere de un desembolso mayor. Todo va a depender de la cantidad de piezas a fabricar, para obtener una gran rentabilidad y un retorno de la inversión en herramientas de corte, en nuestros procesos de mecanizado.
¿Cuáles son los Factores que Afectan a la Maquinabilidad de los Metales?
En el mecanizado de los materiales, afectan varios factores que influyen en como obtenemos una forma y un acabado deseado. Además de ello va a depender los procesos de mecanizado que necesitemos, para conseguir las tolerancias geométrícas y/o dimensionales que especifiquen los planos de fabricación. Vamos a ver esos factores más detalladamente.
Composición Química del Material
La cantidad, proporción y número de elementos presentes en el material, van a influir directamente en las propiedades mecánicas del material y en sus procesos de mecanizado. Elementos como el níquel (Ni), el cromo (Cr), el cobalto (Co) o el manganeso (Mn), entre otros proporcionan una mayor dureza y tenacidad al acero.
Esto los conviertes en materiales con una baja maquinabilidad. Además, estos materiales, se usan en aplicaciones anti desgasté o en piezas de gran responsabilidad.
Sin embargo aleaciones que contengan plomo (Pb), azufre (S) y fosforo (P), ayudan a que los materiales tengan un alto grado de maquinabilidad. El contenido en carbono de los aceros, es otro aspecto importante para la maquinabilidad de los metales. Los aceros de medio y alto carbono, son más duros y tienden a tener una baja maquinabilidad; como por ejemplo el acero rápido (HSS).
Los aceros de bajo carbono como el acero 1.140 (F-114), son aceros que presentan muy buena maquinabilidad. Cercana al 100% o incluso superándola en algunos materiales.
Dureza del Material
Cómo ya hemos visto con el ejemplo del acero 1.2379 tratado térmicamente a 64HRC. La dureza del material es uno de los factores más importantes, para comprender y entender que es un material con un alto grado de maquinabilidad o con un grado bajo de maquinabilidad, como en este ejemplo.
Microestructura del Material
La microestructura del metal, así como su distribución atómica y tamaño del grano, influye directamente en la maquinabilidad de los metales. Los materiales de grano fino, son menos maquinables, ya que hay un menor espacio entre sus átomos y ofrecen mayor resistencia y dureza al ser mecanizados.
Otro aspecto fundamental de la microestructura de los materiales, es que los materiales con un grano más fino, aunque ofrezcan mayor resistencia al ser mecanizados. Obtienen un mejor acabado superficial en comparación con los materiales de grano grande.
Por ejemplo, vamos obtener un mejor acabado superficial en una superficie de un acero aleado con cromo y níquel en comparación con una fundición gris nodular.
Por el contrario, los materiales de grano grande, tienden a tener un mayor espacio entre sus átomos y tienen una estructura más homogénea. Los metales con este tipo de grano ofrecen mayor facilidad al ser mecanizados.
Al contrario que con los materiales de grano fino, en los materiales de grano grueso, obtenemos un acabado superficial inferior al que podemos obtener con los de grano fino.
Tratamientos Térmicos que se Apliquen al Material
En el ejemplo que hemos visto en este artículo de un acero 1.2379, tras pasar por las 3 fases de su tratamiento térmico: recocido, temple y revenido, hemos alterado su dureza. En su estado natural, el acero 1.2379 presenta una dureza aproximada de 20 HRC.
Con los tratamiento térmicos hemos superado en más de 3 veces su dureza natural. Queda bastante claro, la importancia que tienen los tratamientos térmicos, en la maquinabilidad de los metales.
Procesos de Obtención del Material
Los procesos de obtención o fabricación del material, son un factor de gran importancia en la maquinabilidad de los metales. Un metal que se obtenido mediante extrusión en trabajo en frio, no obtiene las mismas propiedades que un mismo material, pero que se obtenido mediante la forja. El proceso de fabricación va a influir directamente en la maquinabilidad del material y afecta a su dureza, tamaño del grano, resistencia, tenacidad y ductilidad del material.
Resumen
Hemos podido ver bastantes aspectos de gran importancia de cara a la maquinabilidad de los materiales y como estos influyen en su mecanizado. Además, hemos aprendido a como calcular su porcentaje de maquinabilidad, según la dureza del material y como calcular de dureza Brinell a dureza Rockwell en la escala C (HRC). Una vez más, espero que todo este contenido os sirva en vuestro a día a día en el taller y una vez más, nos vemos en la próxima!