Mecanizado CNC de acero inoxidable | Maquinabilidad, grados, soluciones

El acero inoxidable es muy apreciado en ingeniería por su alta resistencia, tenacidad y excepcional resistencia al calor y la corrosión. Sin embargo, las mismas propiedades físicas y mecánicas que lo hacen deseable también presentan importantes desafíos durante el proceso de fabricación. Desde el punto de vista del mecanizado, el acero inoxidable suele considerarse un material difícil debido a su marcada tendencia al endurecimiento por deformación, las elevadas fuerzas de corte y la baja conductividad térmica.

Descripción general de la maquinabilidad

La maquinabilidad se refiere a la facilidad con la que un material metálico puede someterse a procesos de corte. Una vez establecido el corte normal, la maquinabilidad del metal se evalúa en función de la rugosidad superficial de la pieza, la velocidad de corte y el grado de desgaste de la herramienta.

La maquinabilidad es un fenómeno complejo de la capa superficial que involucra fricción y deformación elástica y plástica a alta velocidad. Por lo tanto, la facilidad de corte y la calidad del resultado están relacionadas con muchos factores:

1. Material y geometría de la herramienta.
2. Rendimiento de corte del material de la pieza de trabajo.
3. Presencia y características de los fluidos de corte durante el procesamiento.
4. Tipo y condiciones de corte.

En condiciones constantes, el metal más fácil de mecanizar debería ser aquel que permita la máxima velocidad de corte, el mínimo desgaste de la herramienta y el menor consumo de energía, a la vez que se obtiene la rugosidad superficial más satisfactoria. En la mayoría de los casos, los requisitos principales para el corte son alta velocidad y larga vida útil de la herramienta; sin embargo, en algunas situaciones, los requisitos de suavidad superficial son más exigentes.

Métodos para determinar la maquinabilidad

1. Comparación de la vida útil de la misma herramienta al cortar diferentes metales a una velocidad de corte determinada.
2. Comparación de la profundidad de perforación en diferentes metales utilizando la misma presión, velocidad de rotación y tiempo.
3. Comparación de la maquinabilidad en función de la energía consumida o el calor disipado al cortar un determinado volumen de diferentes metales.

Estos métodos no tienen en cuenta la rugosidad superficial de la pieza mecanizada; solo utilizan la facilidad de corte para comparar relativamente la maquinabilidad de los metales.

La maquinabilidad de los metales es una propiedad tecnológica muy compleja relacionada con otras propiedades del metal. En primer lugar, debemos comprender las razones por las que los metales son difíciles de cortar:

1. Cuando la dureza o la resistencia son demasiado altas, la energía consumida durante el corte es elevada; cuando la velocidad aumenta, el calor generado puede ablandar fácilmente el filo de la herramienta, lo que dificulta mucho el corte.
2. Los metales blandos con alta plasticidad son propensos a generar rebabas y a adherirse al filo de la herramienta durante el corte, lo que dificulta el proceso y aumenta la rugosidad de la superficie.
3. Los metales propensos al endurecimiento por deformación son difíciles de mecanizar, como los aceros con alto contenido de carbono y manganeso, los aceros resistentes al desgaste y los aceros inoxidables austeníticos. Los metales que contienen fases secundarias duras también son difíciles de mecanizar, como los carburos y óxidos, que desgastan fácilmente el filo de la herramienta.

En segundo lugar, debemos conocer qué tipo de estructura facilita el mecanizado del metal. Las fases secundarias insolubles en la matriz, si poseen lubricidad o aumentan la fragilidad del material, pueden mejorar la maquinabilidad. Por ejemplo, el grafito, el plomo y el bismuto pueden aumentar el efecto lubricante durante el corte; los sulfuros y fosfuros frágiles (como el MnS y el Fe3P en el acero) pueden facilitar la rotura de las virutas.

Formas de mejorar la maquinabilidad

1. Ablandar metales duros (templado o recocido).
2. Endurecer metales que sean demasiado blandos (trabajo en frío, refinamiento del grano, normalizado).
3. Reducir las fases secundarias duras (mejorar la calidad de la fundición, reducir las inclusiones).
4. Mejorar la distribución de las segundas fases duras (recocido o normalizando).
5. Añada elementos de segunda fase que mejoren el rendimiento de corte (Pb, Bi, grafito, MnS, Fe3P, etc.).

El método final (5) puede producir aleaciones con una excelente maquinabilidad adecuadas para máquinas herramienta automáticas, que por lo tanto se denominan aceros y aleaciones de fácil mecanizado.

Algunas propiedades físicas y mecánicas que afectan la maquinabilidad son insensibles a la microestructura y, por lo tanto, difíciles de modificar mejorando la estructura. Estas propiedades incluyen el coeficiente de dilatación térmica, la conductividad térmica y el módulo de elasticidad del metal de la matriz.

Descripción general del corte de acero inoxidable

Los distintos tipos de acero inoxidable presentan diferentes comportamientos de mecanizado, y estas diferencias son significativas. En general, la maquinabilidad del acero inoxidable es peor que la de otros aceros. Por ejemplo, en comparación con el acero al carbono, el acero inoxidable austenítico tiene la peor maquinabilidad. Esto se debe al endurecimiento por deformación severo y a la baja conductividad térmica del acero inoxidable austenítico. Por esta razón, es necesario utilizar refrigerantes de corte a base de agua durante el proceso de corte para reducir la deformación térmica. Especialmente cuando el tratamiento térmico posterior a la soldadura es deficiente, la deformación es inevitable, independientemente de la precisión de corte que se logre. La maquinabilidad de otros tipos de acero inoxidable, como los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos, no difiere significativamente de la del acero al carbono, siempre que no se corten después del temple. Sin embargo, tanto para los tipos martensíticos como para los ferríticos, cuanto mayor sea el contenido de carbono, peor será la maquinabilidad. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación presentan diferentes comportamientos de mecanizado debido a las diferencias en su estructura y métodos de tratamiento, pero en general, en estado recocido, su maquinabilidad es básicamente la misma que la de los aceros inoxidables martensíticos y austeníticos de la misma serie y resistencia.

Los aceros inoxidables se utilizan ampliamente debido a su especial resistencia al calor y a la corrosión, además de su alta resistencia mecánica y tenacidad. En muchas aplicaciones, la maquinabilidad de un material metálico depende de su capacidad de mecanizado. Todos los aceros inoxidables son mecanizables, al igual que todas sus calidades. La maquinabilidad del acero inoxidable, al igual que sus propiedades físicas y mecánicas, presenta una gran variabilidad.

En general, el acero inoxidable se refiere a aleaciones a base de hierro con un contenido de cromo superior al 11.5 %. Para lograr la resistencia a la corrosión y/o las propiedades mecánicas requeridas, se pueden añadir elementos como carbono, níquel, manganeso, silicio, aluminio, titanio, niobio y otros elementos de aleación.

Tipos de acero inoxidable según su maquinabilidad

La clasificación basada en la microestructura y las condiciones de tratamiento térmico es el método más común. Este método divide todos los aceros inoxidables en tres categorías: templables (martensíticos), no templables (ferríticos) y austeníticos. Cada categoría incluye algunos grados de fácil mecanizado.

Acero inoxidable endurecible

Este grupo consta de aceros de la serie 400 que pueden ser endurecidos por tratamiento térmicoEntre los grados de fácil mecanizado se incluyen los aceros inoxidables 416, 420F y 440F. Los grados con maquinabilidad general incluyen los aceros 403, 410, 420, 431, 440A, 440B y 440C. Todos ellos son aceros martensíticos, magnéticos en estado recocido y pueden alcanzar diversos niveles de resistencia mediante temple y revenido. El más fácil de mecanizar es el 416, mientras que el más difícil es el 440C debido a que su alto contenido de carbono provoca un desgaste severo de la herramienta.

Acero inoxidable no endurecible

Este grupo incluye aceros de la serie 400 que no pueden endurecerse significativamente mediante tratamiento térmico. Son ferríticos y magnéticos en estado recocido. Entre los grados de fácil mecanizado se encuentra el 430F; los de maquinabilidad general incluyen el 405, el 430 y el 446.

Acero inoxidable austenitico

Estos son los aceros de la serie Cr-Ni 300, recientemente ampliados para incluir algunos aceros de la serie Cr-Ni-Mn 200. Son austeníticos en estado recocido, básicamente no magnéticos y no se pueden endurecer mediante tratamiento térmico. Sin embargo, la mayoría tienen altas tasas de endurecimiento por deformación, mucho más altas que los aceros ferríticos y martensíticos. Los grados de fácil mecanizado incluyen 303 y 303Se. Los grados estándar incluyen 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347, etc. Los aceros austeníticos son mucho más difíciles de mecanizar que la mayoría de los aceros martensíticos o ferríticos. Son pegajosos en estado recocido y producen virutas fibrosas a menos que se utilicen técnicas especiales. Las altas tasas de endurecimiento por deformación también contribuyen a la dificultad de corte.

Propiedades del mecanizado CNC del acero inoxidable

La maquinabilidad del acero inoxidable es mucho peor que la del acero al carbono medio. Si el acero 1045 tiene una maquinabilidad del 100%, el austenítico 321 del 40%; el ferrítico 10Cr28 del 48%; y el martensítico 420 del 55%. Los grados austeníticos y austeníticos+ferríticos son los peores. Las características incluyen:

Endurecimiento laboral severo

Es más frecuente en aceros austeníticos y austeníticos-ferríticos. La resistencia tras el endurecimiento puede alcanzar los 1470–1960 MPa. El límite elástico aumenta del 30 %–45 % en estado recocido al 85 %–95 % tras el endurecimiento. La profundidad de la capa endurecida puede ser de 1/3 de la profundidad de corte o incluso mayor, con una dureza entre 1.4 y 2.2 veces superior a la original. Esto se debe a la elevada plasticidad, la distorsión de la red cristalina y la transformación de austenita en martensita bajo tensión.

Grandes fuerzas de corte

La alta plasticidad, especialmente en la austenita, con una elongación 1.5 veces mayor que la del acero 1045, incrementa la fuerza. El endurecimiento por deformación y la alta resistencia térmica aumentan aún más la resistencia y dificultan la rotura de la viruta. La fuerza de corte unitaria para el 06Cr18Ni11Ti es de 2450 MPa, un 25 % superior a la del acero 1045.

Alta temperatura de corte

La gran deformación plástica y la fricción generan un calor considerable. Sumado a la baja conductividad térmica (entre un cuarto y la mitad que la del acero 1045), el calor se concentra en la zona de corte. En las mismas condiciones, la temperatura del acero 321 es aproximadamente 200 °C superior a la del acero 1045.

Fichas difíciles de romper

Su elevada plasticidad y tenacidad generan virutas continuas que pueden rayar la superficie. Su alta afinidad con otros metales provoca adherencia y acumulación de material en el filo, lo que agrava el desgaste de la herramienta y el desgarro de la superficie.

Desgaste de la herramienta

La afinidad provoca desgaste por adhesión y difusión, lo que da lugar a la formación de cráteres en la superficie de la herramienta y al desprendimiento de micropartículas. Las partículas de carburo duro presentes en el acero también provocan desgaste abrasivo.

Coeficiente de expansión lineal grande

Aproximadamente 1.5 veces la del acero al carbono. Al reducir el calor, las piezas se deforman térmicamente, lo que dificulta el control de la precisión dimensional.

Entre los diversos equipos de mecanizado, los tornos automáticos son altamente eficientes para procesar barras de acero inoxidable y convertirlas en innumerables componentes.

Consideraciones para el mecanizado de acero inoxidable:

1. Las herramientas deben ser robustas, de tecnología avanzada y con alta capacidad de sobrecarga. Lo ideal es cortar por debajo del 75 % de la capacidad nominal de la máquina.
2. Las piezas y las herramientas deben sujetarse firmemente. La herramienta debe sobresalir lo menos posible; utilice soportes adicionales si es necesario.
3. Mantenga sus herramientas afiladas en todo momento (de acero rápido o carburo). Afilelas con regularidad; no espere hasta que sea necesario.
4. Utilice lubricantes de alto rendimiento, como la grasa de petróleo clorada. Esto es eficaz para el mecanizado pesado a bajas velocidades. Para el acabado a alta velocidad, dilúyalo con queroseno para mantener bajas las temperaturas.
5. Preste atención a los aceros austeníticos de Cr-Ni. Utilice el corte forzado y evite las pausas para prevenir el endurecimiento por deformación y el deslizamiento.

En comparación con el acero al carbono:

1. La resistencia del acero inoxidable recocido es generalmente mayor.
2. La diferencia entre el límite elástico y la resistencia a la tracción es mayor.
3. Los índices de endurecimiento laboral son más altos.
4. Los aceros con alto contenido de carbono (440A/B/C) contienen carburos de aleación libres que endurecen la matriz y son abrasivos, lo que aumenta el desgaste.

Procesos de mecanizado CNC de acero inoxidable

Los procesos de fabricación para el mecanizado de acero inoxidable incluyen torneado CNC, fresado, rectificado, taladrado, etc.

Torneado CNC

Generalmente se considera un mecanizado de un solo punto. Las herramientas deben tener un ángulo de ataque positivo. Los aceros martensíticos (420, 440) requieren un ángulo de ataque negativo para reducir el desgaste. Las series austeníticas (200/300) tienden a endurecerse por deformación; mantenga un avance forzado y no se detenga bruscamente. Utilice tornos de alta potencia con buena rigidez estructural. Se recomiendan herramientas con punta de carburo en tornos revólver.

• Avance de desbaste: 0.229–0.406 mm.
• Avance de acabado: 0.076–0.254 mm.
• Velocidad (tipos cromados): 61–152 m/min.
• Velocidad (tipos Cr-Ni): 61–122 m/min.
• Utilice mezclas de aceites solubles concentrados.

CNC fresado

La alta tendencia a la adhesión y fusión provoca que las virutas se adhieran a los dientes. En el fresado ascendente, los dientes se deslizan sobre superficies endurecidas, aumentando el endurecimiento. Las vibraciones y los impactos son elevados.

• Herramientas: Utilice HSS (W-Mo o con alto contenido de vanadio) o carburo (YG8, YW2, 813, 798, etc.).
• Geometría: Utilice ángulos de hélice grandes (20°–45°). Si bien las fresas de extremo son mejores con β 35 para evitar el debilitamiento de los dientes.
• Método: Utilice el fresado ascendente (fresado descendente) para asegurar que los dientes salgan del metal sin problemas y que las virutas sean expulsadas por la fuerza centrífuga.
• Refrigeración: La refrigeración por pulverización es la más eficaz; de lo contrario, asegúrese de que haya un flujo completo de emulsión al 10 %.
• Velocidad: Comience con aproximadamente 24 m/min para carburo y aproximadamente 9 m/min para acero rápido (HSS).

Rectificado CNC

La alta tenacidad y resistencia al calor hacen que los granos con ángulos de ataque negativos tengan dificultades para cortar las virutas. La energía es alta, las temperaturas alcanzan los 1000–1500 °C y las virutas obstruyen la muela. La baja conductividad térmica puede causar quemaduras superficiales o recocido (profundidad de 0.01–0.02 mm). La expansión produce deformación, especialmente en piezas de paredes delgadas. La mayoría de los aceros inoxidables no son magnéticos, por lo que requieren sujeción mecánica, lo que puede causar vibraciones o distorsión. Evite el rectificado irregular o el sobrecalentamiento localizado.

Perforación CNC

Generalmente, se utilizan brocas helicoidales. Para acero endurecido, se emplean brocas de carburo o HSS superduro. Los pares de torsión son elevados, y las virutas se adhieren y endurecen. Se realizan ranuras de ruptura de virutas y se reduce el grosor del alma para disminuir la fuerza axial.

• Deslizamiento/Endurecimiento: Espolvoree polvo de tiza en el borde o el agujero para facilitar el inicio del corte.
• Plantillas de perforación: Mantenga los casquillos cortos; deje un espacio equivalente al diámetro de una broca para la salida de las virutas.
• Velocidad: entre 12 y 38 m/min, dependiendo de la pendiente y la profundidad.
• Avance: 0.051–0.508 mm/r. Minimice las pausas para reducir el endurecimiento.

Roscado CNC

Los grados de fácil mecanizado son similares al acero al carbono. Un ángulo de ataque de 15° es mejor. Use machos de roscar de perfil delgado para agujeros profundos para reducir la presión. Use machos de roscar HSS con roscas rectificadas con precisión y estrías pulidas. Los machos de roscar de estrías helicoidales son mejores para el control de virutas. Asegúrese de que las roscas no superen el 75 % de la profundidad (el 65 % suele ser mejor) para evitar roturas. Para alta precisión, taladre ligeramente más pequeño (0.152–0.305 mm menos de la medida) y luego escariar antes de roscar. Evite el rectificado manual de los machos de roscar.

• Velocidad: 3–11 m/min.
• Lubricación: Aceites a base de azufre para roscas gruesas; queroseno diluido para roscas finas; polvo de plomo blanco para roscado grueso.

Limpieza y pasivación después del mecanizado

Para garantizar la resistencia a la corrosión, elimine toda la suciedad y las manchas. Una superficie limpia permite la formación de una película pasiva.

Desengrasado: Debe ser completo y minucioso para eliminar todos los lubricantes y aceites.

Baño de ácido nítrico: Generalmente a una concentración del 20% a 49 °C durante al menos 30 minutos. Disuelve las partículas de hierro y limpia los puntos de corrosión.

Ajuste: Para la serie 300 o la serie 400 de alto contenido en cromo, se utiliza una concentración del 20 % al 40 % a 54–71 °C durante 30–60 minutos. Para la serie 400 de bajo contenido en cromo, se utilizan temperaturas más bajas. Enjuague con agua caliente y seque inmediatamente.

Acabados superficiales para el mecanizado CNC de acero inoxidable

Contrariamente a la creencia popular, el acero inoxidable no es totalmente inmune a la oxidación, sino que simplemente es relativamente resistente a ella. Una fina capa de óxido rica en cromo en la superficie proporciona una barrera protectora. Sin embargo, esta capa puede verse afectada por factores ambientales y procesos mecánicos, como arañazos superficiales, una limpieza inadecuada, la contaminación por acero al carbono o la soldadura. Estas formas de contaminación superficial pueden dañar significativamente la capa protectora.

Por lo tanto, es fundamental adoptar medidas eficaces durante la fabricación de productos de acero inoxidable. La mejor manera de prevenir la corrosión es mediante un tratamiento superficial adecuado. Entre los procesos más comunes se incluyen el cepillado, el pulido espejo, el granallado y los recubrimientos antihuellas, cada uno con sus propios efectos estéticos y beneficios funcionales.

Espejo pulido

El acabado espejo consiste esencialmente en pulir la superficie del acero inoxidable mediante métodos físicos o químicos. El pulido puede aplicarse a toda la superficie o a zonas específicas. Los grados de acabado espejo se clasifican en pulido estándar, 6K (espejo estándar), 8K (pulido fino) y 10K (pulido superfino). Un acabado espejo proporciona una estética sofisticada, minimalista, moderna y futurista.

Voladura de arena

Este es un proceso común de tratamiento superficial en el mecanizado de acero inoxidable. Utiliza aire comprimido como fuente de energía para proyectar materiales abrasivos a alta velocidad sobre la superficie de la pieza, lo que provoca un cambio en la textura superficial. Arenado Se utiliza principalmente para la optimización de ingeniería y procesos, como aumentar la adhesión de piezas unidas, desbarbar superficies mecanizadas, descontaminar y lograr un acabado mate. Este proceso es muy superior al lijado manual, ya que proporciona una estructura superficial uniforme y una apariencia duradera y discreta con alta eficiencia de producción. Si bien el lijado manual puede crear una superficie rugosa, es demasiado lento, y la limpieza química a menudo deja la superficie demasiado lisa para una adhesión óptima del recubrimiento.

Tratamiento químico

Este proceso implica una combinación de métodos químicos y electroquímicos para generar una capa de compuesto estable sobre la superficie del acero inoxidable. galvanoplastia es un ejemplo principal de tratamiento químico. Este método se basa principalmente en soluciones ácidas individuales o mixtas y soluciones anódicas para la desincrustación. Posteriormente, se generan películas protectoras mediante tratamiento con cromato, fosfato o óxido negroEste proceso se utiliza principalmente para crear patrones complejos o para satisfacer requisitos de diseño específicos, ya sean clásicos o contemporáneos.

Colorante

Los procesos de coloración superficial permiten obtener diversos colores en el acero inoxidable, lo que le confiere mayor viveza. Además del atractivo visual, la coloración mejora eficazmente la resistencia al desgaste y a la corrosión del producto. Entre los métodos de coloración más comunes se encuentran la coloración química, la oxidación electroquímica, la deposición iónica de óxidos, la oxidación a alta temperatura y la pirólisis en fase gaseosa.

Cepillado

El cepillado de metales es un método decorativo muy común. Permite crear diversos diseños, como líneas rectas, patrones de hilos, patrones ondulados, patrones aleatorios y patrones rotatorios. Las superficies cepilladas se caracterizan por un tacto agradable, un brillo delicado y una gran resistencia al desgaste. Este tratamiento se aplica ampliamente en dispositivos electrónicos, electrodomésticos y maquinaria.

Recubrimiento por pulverización

El recubrimiento por pulverización de acero inoxidable difiere sustancialmente de los procesos de coloración mencionados anteriormente. Dependiendo de los materiales utilizados, algunas pinturas pueden dañar la capa de óxido del acero inoxidable. Sin embargo, ciertos recubrimientos por pulverización permiten obtener diferentes colores mediante procesos sencillos, y se pueden utilizar distintos tipos de recubrimientos para modificar la textura o el tacto de la superficie del acero inoxidable.

Tolerancias y capacidades de mecanizado CNC de Getzshape

Getzshape ofrece mecanizado CNC personalizado de alta calidad, fabricación de chapa metálica, mecanizado por electroerosión, fundición a presión y mucho más. A continuación, se detallan nuestras capacidades de mecanizado CNC para acero inoxidable.