DISEÑO DE HERRAMIENTAS Herramientas de Cerámica y Cermets Jose David Lozano Suarez 2093631 Diego Fernando Benítez Rivera 2093596 Escuela de Ingeniería Mecánica Universidad Industrial de Santander

Introducción El parámetro que más incide en la economía del mecanizado, es la velocidad de corte, aquella a la cual la herramienta arranca el material. La condición limite para incrementar la velocidad de corte en los procesos productivos es la falla de la herramienta. Es este el factor principal por el cual se desarrollan investigaciones para evolucionar en los materiales para fabricar herramientas y así poder obtener mejores beneficios económicos.

Evolución de los materiales de corte para herramientas

Las herramientas cerámicas se han utilizado para mecanizar materiales que aunque no son muy resistentes, ejercen intensa acción de desgaste (abrasión) sobre la herramienta. Materias Plásticas Grafito Metales Aleaciones no ferrosas

Los cerámicos para herramientas de mecanizado Clasificación Base de oxido de aluminio (Al2O3) Base de nitruro de silicio (Si3N4) Cermets

Base de oxido de aluminio (Al2O3) Clasificación Pura Mixta Reforzada

Base de oxido de aluminio (Al2O3) Pura Procesos de fabricación Conformada en frió (color blanco) Conformado en caliente (color gris) Propiedades Baja resistencia a la flexión Baja tenacidad Baja conductividad térmica + ZrO2 (Dióxido de zirconio)

Base de oxido de aluminio (Al2O3) Mixta Procesos de fabricación Conformada en caliente (TiC- color negro) Conformado en caliente (TiN-color marrón) Propiedades Aumento de la resistencia a los choques térmicos

Base de oxido de aluminio (Al2O3) Reforzada(Whisker) Procesos de fabricación Conformado en caliente (color gris) Aplicaciones Mecanizado de aleaciones termoresistentes Aceros y fundiciones endurecidas

Base de nitruro de silicio (Si3N4) Representa otro grupo de materiales de cerámica. Tiene cristales alargados que forman un material auto reforzado de alta tenacidad. Las calidades de nitruro de silicio son favorables en fundición gris, pero la falta de estabilidad química, limita su utilización en otros materiales. 

Propiedades físicas y mecánicas De un modo general, las cerámicas se caracterizan: Elevada dureza, aun en altas temperaturas (o elevadas durezas de corte) Resistencia al desgaste Estabilidad química Vida de herramienta larga Velocidad de corte alta Las cerámicas tradicionales presentan como principal inconveniente: Baja conductividad térmica Resistencia a la flexión menor que el metal duro.

Propiedades de la cerámica MATERIAL    KIC R Al2O3+ZrO2 25 8.1 600-800 4-6 5.6 Al203+TiC 35 7.8 600-900 4.5-5.5 6.7 Si3N4+ADITIVOS 3.2 600-950 5.0-7.0 MO2C+Ti(C,N)+Ni 30 7.2 1150-1800 10 12 WC+CO 100 5.4 100-2400 10-17 66  : Coeficiente de expansion termica (10^6.K^-1);  : conductividad termica (W/m.K); : Resistencia a la flexion (mpa); R: resistencia a termochoques; KIC: resistenciia a la fractura (mpa.M^1/2)

Resistencia a flexión vs. temperatura

Usos Cerámica blanca (Al2O3 + ZrO2) Cerámica mixta Hierro fundido y acero en procesos de torno y fresa, en medias y altas velocidades. Cerámica mixta Materiales duros (fluido de corte) Una herramienta más tenaz. Cerámica basada en nitrato de silicio Hierro fundido y aceros resistentes al calor Herramientas de (Si3N4) han presentado buen desempeño en el mecanizado de hierro fundido, con velocidades de corte superiores a 2.000 m/min.

Campos de aplicación Mecanizado de hierros fundidos y aceros en funciones de (torneado y fresado) Velocidades de corte van desde medias hasta muy altas (3000 m/min. ) Reducción de tiempos de mecanizado En algunos casos evitar una operación de rectificación después de torneado o fresado cuando se exige un pequeño acabado superficial.

Vida de la herramienta en función de la velocidad de corte Investigaciones realizadas en el laboratorio de maquinas herramientas (WZL) de la universidad técnica de Aachen, Alemania Occidental, con herramientas de nitruro de silicio mecanizando hierro fundido gris Din GG-30, con velocidades de 560 a 3000 m / min

Numero de piezas mecanizadas con diferentes pastillas cerámicas En el mecanizado de hierro fundido DIN GG 25, realizadas en la industria alemana se observaron los resultados mostrados en la figura.