Cómo dominar la selección de materiales para el torneado CNC: elija los materiales adecuados para su proyecto de mecanizado CNC

Todo proyecto de torneado CNC requiere la selección correcta del material, posiblemente una de las decisiones más cruciales. Las propiedades del producto final, incluido el costo, el rendimiento, la durabilidad y la precisión, dependen de esta decisión. Es comprensible que existan numerosas alternativas entre las que elegir, comenzando con metales como el aluminio y el acero inoxidable y extendiéndose a los plásticos de ingeniería como PEEK y Delrin. Este blog actuará como una guía detallada que lo ayudará a seleccionar el material apropiado para el mecanizado CNC. Estableceremos los factores que deben analizarse, por ejemplo, las propiedades mecánicas, la maquinabilidad, los requisitos de la aplicación y el costo, para que se puedan cumplir los objetivos del proyecto. Este artículo tiene como objetivo brindar a los principiantes y a los maquinistas más experimentados que ingresan al ámbito del torneado CNC por primera vez consejos prácticos para facilitar el proceso de selección de materiales.

¿Cuáles son los materiales más comunes utilizados en el torneado CNC?

Los ingenieros suelen utilizar los siguientes materiales en el torneado CNC:

• Aluminio: Fácil de procesar, altamente resistente a la corrosión y liviano, lo que lo convierte en un material adecuado para su uso en la industria aeroespacial, automotriz y de productos de consumo.
• Acero: Fuerte y duradero, disponible en varios grados, se utiliza a menudo para componentes y maquinaria industrial.
• Acero inoxidable: Fuerte y resistente a la corrosión, se utiliza ampliamente en las industrias médicas, de procesamiento de alimentos y marinas.
• Latón: Altamente mecanizable y de baja fricción, lo que lo convierte en una excelente opción para piezas de precisión; se utiliza comúnmente en componentes y accesorios eléctricos.
• Plásticos, por ejemplo, POM, nailon: se utilizan en aplicaciones que requieren peso ligero, resistencia química y aislamiento eléctrico.

Los requisitos específicos del proyecto, como resistencia, peso, propiedades térmicas y costo, determinan la decisión de utilizar un material determinado.

Materiales metálicos para mecanizado CNC: tipos y aplicaciones

La tecnología CNC se puede aplicar a la mayoría de los materiales metálicos debido a sus atributos específicos, que pueden utilizarse en aplicaciones específicas. A continuación, se describen algunos de los materiales metálicos más utilizados y sus beneficios con el mecanizado CNC.

1. Aluminio: Este metal es uno de los más utilizados debido a su capacidad para resistir la corrosión, alta maquinabilidad, baja densidad y es fácil de moldear, que son características útiles para las industrias automotriz, aeroespacial y de electrónica de consumo. Aluminio 6061 Es un grado especializado ampliamente utilizado, con una resistencia a la tracción de casi 45000 psi, lo que facilita su inclusión para piezas estructurales y elementos mecanizados de carcasas.
2. Acero inoxidable: el acero inoxidable es esencial debido a su resistencia y durabilidad, así como a su no corrosión y temperatura relativamente alta. Las características higiénicas y resistentes a la corrosión a menudo se requieren en aparatos médicos, equipos de procesamiento de alimentos e incluso aplicaciones marinas que utilizan acero inoxidable de grado 304 y 316.
3. Acero (acero dulce y acero para herramientas): Se utiliza en la construcción, el acero dulce y otros sectores industriales, la maquinaria pesada y las herramientas industriales como el acero son muy buscados. Rentable. Algunos ejemplos comunes incluyen el acero dulce de grado 1018 utilizado en construcciones mecánicas o los aceros para herramientas A2 y D2 por su excepcional dureza y resistencia al desgaste y por ser ideales para equipar herramientas de corte y moldes.
4. Titanio: Los sectores aeroespacial, de vehículos de alto rendimiento e incluso médico dependen del titanio porque tiene la mayor relación resistencia-peso. Titanio Grado 5 o (Ti-6Al-4V) es una aleación de uso común porque posee una resistencia a la tracción de más de 130,000 XNUMX psi. Esta aleación específica es popular en la soja debido a su amplio uso en productos biocompatibles.
5. Cobre y latón: El cobre se utiliza en muchos componentes, como circuitos eléctricos e intercambiadores de calor, debido a su excelente conductividad térmica y eléctrica. Otro metal muy utilizado es el latón debido a su baja fricción y resistencia a la corrosión, lo que lo hace útil para válvulas, accesorios decorativos y engranajes.
6. Inconel y superaleaciones: Sus puntos fuertes en áreas específicas son la minería, la industria aeroespacial y la energía; estas aplicaciones les permiten cubrir condiciones extremas como el calentamiento y la corrosión. Se utilizan modelos específicos según el entorno. El Incoel 718 es bien conocido por su capacidad para cubrir altas temperaturas de 1,300 °F (700 °C) y al mismo tiempo tener una fuerte resistencia estructural.

Existen múltiples factores que influyen en la decisión de elegir qué metales específicos utilizar, como el rendimiento mecánico del sistema, las propiedades térmicas e incluso el peso. A medida que las tecnologías de mecanizado CNC se vuelven más avanzadas y los desafíos de ingeniería modernos se vuelven más complejos, es posible un procesamiento de metales más preciso y eficiente.

Materiales plásticos para torneado CNC: ventajas y limitaciones

El uso de materiales plásticos para el torneado CNC tiene sus beneficios, pero estas consideraciones determinan si el torneado de plástico es apropiado para cada aplicación.

Ventajas de los materiales plásticos para el torneado CNC

Por encima de todo, el principal beneficio de utilizar materiales plásticos es su baja densidad en relación con los metales, lo que es esencial para aplicaciones que dan prioridad al ahorro de peso. Por ejemplo, los plásticos PEEK, PVC y Delrin tienen un coeficiente de fricción dieléctrico bajo, lo que contribuye a una buena maquinabilidad y rendimiento en conjuntos de piezas móviles. Además, los plásticos son inmunes a la corrosión y a la mayoría de los daños químicos, lo que crea condiciones en las que los metales pueden sufrir. Los plásticos aislantes especiales pueden incluso funcionar en entornos de alto rendimiento, incluidas las industrias médica o aeroespacial. Algunos plásticos de ingeniería, como el PTFE y el PEEK, tienen tolerancia a altas temperaturas; el PEEK sigue siendo eficaz hasta 250 grados Celsius (482 grados Fahrenheit).

Además, los materiales plásticos se consideran alternativas económicas en la creación de prototipos y la producción a pequeña escala debido a sus menores costos de material, su mayor maquinabilidad y sus ciclos de mecanizado más cortos en comparación con los metales. Además, su propiedad no conductora los hace útiles en las industrias electrónica y eléctrica. Además, el desarrollo de las tecnologías CNC en los últimos años ha multiplicado el número de materiales, incluidos los plásticos, que se pueden utilizar en estos procesos y también ha mejorado las tolerancias y la precisión alcanzables, lo que hace posible abordar formas complejas con requisitos estrictos.

Desventajas de los materiales plásticos para el torneado CNC

Incluso con estos atributos positivos, los materiales plásticos tienen ciertas desventajas básicas. Su resistencia mecánica y rigidez son inferiores a las de los metales en general, lo que los hace inadecuados para cualquier pieza que soporte carga en aplicaciones más exigentes. Los plásticos también son más susceptibles a los cambios de temperatura, y la mayoría de los materiales presentan fusión o algún tipo de deformación a temperaturas más bajas que los metales. Por ejemplo, mientras que el PEEK es el preferido en aplicaciones de alta temperatura, otros plásticos, como el polipropileno o el nailon, tienden a ablandarse a temperaturas superiores a los 100 grados Celsius.

Además, las dimensiones también pueden cambiar durante el mecanizado CNC debido a las propiedades de expansión térmica de los plásticos, que tienden a ser problemáticas. Además, algunos plásticos pueden desgastarse demasiado rápido debido al mal uso de la máquina, lo que afecta a su vida útil en lugares con alta fricción o golpes. Además, ciertos plásticos son particularmente sensibles a factores externos, especialmente en lo que respecta a la luz ultravioleta, lo que debilita aún más su confiabilidad para el uso en exteriores durante un tiempo.

Resumen de la idoneidad del material

Los procesos de fabricación se aplican de manera similar a los materiales plásticos de baja y alta densidad. Por lo tanto, todo lo que se espera que se haga con los componentes mecanizados debe considerarse cuidadosamente, teniendo en cuenta los factores mecánicos, térmicos, químicos y ambientales y clasificando los plásticos en consecuencia. Por otro lado, los ingenieros innovadores no verán los desafíos que plantean los plásticos como obstáculos, sino que verán las propiedades únicas de estos materiales y las combinarán con las limitaciones para resolver los desafíos que presenta la fabricación moderna.

Materiales exóticos: cuándo y por qué utilizarlos en torneado CNC

El torneado CNC emplea materiales exóticos para requisitos operativos o de rendimiento más estrictos que los materiales estándar. El titanio, el Inconel y los compuestos de carbono se encuentran entre los materiales exóticos elegidos por sus cualidades únicas, como la relación resistencia-peso, la corrosión y la resistencia térmica. Se utilizan ampliamente en la construcción de piezas en las industrias aeroespacial, médica y energética, donde se requieren condiciones extremas o mecanizado de muy alta precisión. Sin embargo, el mecanizado de materiales exóticos suele ser más difícil debido a su dureza u otras características únicas, por lo que a menudo se necesitan herramientas, técnicas y planificación especializadas para lograr resultados óptimos.

¿Cómo elijo el material adecuado para mi proyecto de torneado CNC?

Factores a tener en cuenta en la selección de material para mecanizado CNC

Propiedades mecánicas

En cualquier trabajo de torneado CNC, es fundamental evaluar las propiedades mecánicas, como la resistencia al impacto, la tenacidad y la ductilidad del material elegido. Por este motivo, se prefieren las aleaciones de aluminio para piezas con formas complejas: son ligeras y resistentes a la corrosión. Por otro lado, el titanio tiene la mejor relación resistencia-peso y puede sobrevivir en entornos hostiles.

Estabilidad térmica

Esta propiedad es vital para piezas que se cortan a altas velocidades o que, debido al método de procesamiento, pueden estar sometidas a altas temperaturas. Algunos materiales, como el acero inoxidable y el tungsteno, no cambian de forma, lo que ayuda a conservar las dimensiones funcionales y la precisión de la pieza durante y después de que se aplique la carga térmica. Por ejemplo, el acero inoxidable puede soportar temperaturas de más de 1400 grados Celsius, lo que lo hace muy buscado en industrias que requieren resistencia térmica.

Costo y disponibilidad

Dependiendo de los requisitos específicos del material, el costo puede variar significativamente. Se pueden utilizar materiales de fabricación de bajo costo, como acero dulce o plástico ABS, para prototipos de ingeniería. Sin embargo, también pueden resultar caros a largo plazo en comparación con la fibra de carbono o las aleaciones de alta calidad. Además, la facilidad con la que se puede obtener un material en particular a nivel local afecta los plazos y el alcance del proyecto.

maquinabilidad

Una de las características de diseño a las que corresponde la maquinabilidad es la facilidad con la que se puede cortar, perforar o dar forma a un material con una pérdida mínima de geometría de la herramienta. Por ejemplo, los valores del latón y del aluminio son muy altos, por lo que los ciclos de producción son más rápidos y las herramientas se dañan menos. Por otro lado, los tipos exóticos de Inconel o acero endurecido pueden tener que mecanizarse con herramientas de corte avanzadas y a velocidades lentas.

Resistencia a la corrosión y al desgaste

En el caso de los componentes que funcionan en entornos muy agresivos, la resistencia a la corrosión se convierte en un parámetro decisivo a la hora de elegir entre una gama de materiales adecuados para el mecanizado CNC. Los metales, los compuestos poliméricos, el acero inoxidable, el titanio y determinados plásticos ofrecen una excelente resistencia a la corrosión y a los productos químicos. Del mismo modo, el acero para herramientas y la cerámica son más adecuados para aplicaciones en las que la fricción mecánica repetida es un problema.

Requisitos de aplicacion 

La selección de materiales se determina adecuadamente, ya que el uso final de la pieza fabricada por CNC ya se ha especificado. Los componentes aeroespaciales requieren materiales ligeros y de alta resistencia, como el titanio y el aluminio. Por otro lado, el acero compuesto de plástico podría ser más rentable para la industria automotriz. Los dispositivos médicos a menudo deben fabricarse con materiales resistentes, ligeros y biocompatibles, como PEEK, titanio y otros materiales para cumplir con estrictas normas de seguridad y reglamentarias.

Impacto Ambiental

El objetivo de la sostenibilidad en la selección de materiales está cobrando cada vez más importancia. Algunos materiales, como el aluminio o los denominados polímeros "verdes", se reciclan, lo que tiene un efecto menos negativo sobre el medio ambiente. En ocasiones, se espera que se elijan materiales específicos que sean más respetuosos con el medio ambiente en su producción y eliminación a nivel empresarial y comunitario.

Un examen detallado de estos factores permite elegir materiales que satisfagan los objetivos de rendimiento, presupuesto y operación y que sean confiables y útiles en la estructura examinada durante mucho tiempo. Hoy, gracias al progreso en ingeniería de materiales y herramientas de mecanizado CNC, los fabricantes tienen acceso a una amplia gama de materiales para aplicaciones altamente especializadas y diversas.

Equilibrio entre las propiedades del material y los requisitos de mecanizado

Al seleccionar materiales para un determinado proceso de mecanizado o fabricación, tengo en cuenta los aspectos mecánicos y funcionales, así como la capacidad del proceso de mecanizado. Factores como la dureza, la ductilidad, la conductividad térmica y la maquinabilidad de un material proporcionan información sobre su comportamiento durante el mecanizado y en la aplicación final. A través del análisis de la capacidad de fabricación, equilibro adecuadamente el rendimiento y la rentabilidad.

Consideraciones de costo en la elección de materiales para torneado CNC

Según los indicadores seleccionados para las operaciones de torneado CNC, los costos son uno de los factores predominantes en cuanto a presupuestos para proyectos y objetivos de calidad y rendimiento. Muchas variables fundamentales, como la disponibilidad, la complejidad del procesamiento y las propiedades físicas del material, definen el precio de mercado de las materias primas. Por ejemplo, los metales comunes, como el aluminio o el acero dulce, tienden a ser más baratos y, como resultado, son más adecuados para prototipos y series de producción en masa. Sin embargo, las aleaciones avanzadas, como el titanio o el acero inoxidable, pueden ser mucho más caras debido a su alta resistencia y resistencia a la corrosión, pero también son muy difíciles de mecanizar.

El coste de los materiales debería incluir, por un lado, los propios materiales y, por otro, los gastos generales controlables, como los desechos. Como ocurre durante el torneado controlado mecánicamente de alta precisión, se producirán algunos desechos de material, especialmente metales más problemáticos o formas complicadas. Por otro lado, los materiales con velocidades de mecanizado más fáciles, como el aluminio 6061 y el latón de fácil mecanizado 80-20, tienden a reducir tanto el tiempo necesario para el mecanizado como la velocidad de desgaste de las herramientas, lo que también reduce esos gastos.

Además, estudiar las cadenas de suministro de materiales dentro de la región puede ayudar a reducir los costos. Por ejemplo, los gastos pueden ser menores y los plazos de entrega más cortos cuando los materiales están cerca. Sin embargo, otras industrias, como la aeroespacial o la de dispositivos médicos, suelen requerir materiales como aleaciones a base de níquel, que son demasiado caras debido a su baja durabilidad y rendimiento.

La información de los estudios más recientes indica que se pueden reducir los costos utilizando aluminio 7075-T6, cuyo costo es de aproximadamente $3.50 la libra, en lugar de grados de titanio como el 6A1-4V, cuyo costo es de $20 la libra. Todos estos parámetros deben ajustarse a las necesidades operativas y al resultado final, asegurando que el proceso de selección de materiales sea rentable sin sacrificar los objetivos y la ejecución del proyecto.

¿Cuáles son los pros y contras de los diferentes materiales para el torneado CNC?

Comparación de materiales metálicos, plásticos y compuestos

Torneado CNC: Principios y actividades comunes

Los metales que analizamos anteriormente tienen una clara ventaja: su relación resistencia-peso permite un rendimiento más robusto en entornos exigentes, y una máquina CNC con aleaciones metálicas normalmente requiere procesos que consumen mucha energía y, por lo tanto, son costosos y difíciles de justificar desde el punto de vista económico. Sin duda, estos problemas afectan de forma muy negativa a la productividad y la sostenibilidad económica.

Plásticos

Los plásticos pueden ser muy útiles para componentes no conductores o resistentes a la corrosión que requieren que las empresas utilicen materiales ligeros. Los plásticos de grado CNC como el acetal y el PEEK tienen una excelente maquinabilidad y características adecuadas de peso-resistencia. Por ejemplo, el Delrin tiene una resistencia a la tracción de casi 10000 psi, lo que lo hace adecuado para engranajes y bujes. El PEEK tiene una resistencia a la tracción de 14000 psi y puede soportar temperaturas de hasta 500 grados Fahrenheit. Esta propiedad lo hace ideal para dispositivos aeroespaciales y médicos. Normalmente, el costo de los materiales y el mecanizado del plástico es más barato que el de los metales y es más favorable. Sin embargo, las debilidades en la resistencia y la rigidez de componentes estructurales específicos pueden ser un obstáculo.

composites

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) y los compuestos de fibra de vidrio son materiales compuestos preferidos para aplicaciones de alto rendimiento debido a sus excelentes métricas de relación resistencia-peso. El CFRP tiene resistencias a la tracción de más de 150000 psi y es 5 veces más liviano que el acero. Estos materiales se pueden utilizar sin esfuerzo en las industrias de la aviación, los deportes de motor y las energías renovables. A pesar de los beneficios de los compuestos, son costosos de producir y necesitan especialistas que desarrollen herramientas para ellos, lo que puede aumentar los costos de mecanizado. Además, su capacidad para trabajar en diferentes direcciones conlleva una serie de problemas para el diseño y el mecanizado.

Realizar un análisis exhaustivo de las propiedades del material, como la resistencia a la tracción, la densidad, el costo y la maquinabilidad, permite a los ingenieros decidir sobre la selección del torneado CNC con respecto a un proyecto determinado.

Desafíos específicos del material en el proceso de mecanizado CNC

1. Aleaciones de Aluminio

Los materiales más preferidos para los procesos de mecanizado CNC son las aleaciones de aluminio. Su preferencia se debe a su baja densidad, gran resistencia a la oxidación y excelentes propiedades de mecanizado. El punto de fusión de las aleaciones de aluminio es bastante bajo, lo que presenta un problema durante el mecanizado, ya que el calor creado durante el proceso de corte puede derretir los bordes de la herramienta de corte, lo que hace que el material se adhiera a la herramienta en lugar de cortarse o se suelde. Esto puede crear aún más problemas en forma de mayor desgaste de la herramienta y problemas de calidad de la superficie. Las investigaciones indican que este problema se puede resolver hasta cierto punto optimizando las velocidades de corte y empleando herramientas de corte revestidas de carburo. Además, debido a que el aluminio tiene una alta conductividad térmica, un enfriamiento efectivo y procesos de mecanizado productivos son características importantes de un rendimiento confiable y sólido durante el mecanizado de aleaciones basadas en aluminio.

2. Acero inoxidable

Debido a sus sorprendentes características mecánicas, la mayoría de los atributos del acero inoxidable sufren adversidades en el proceso de mecanizado CNC. Dichos atributos incluyen la gran maquinabilidad, pero las maravillosas características de fabricación de los aceros inoxidables lo hacen contradictorio, ya que se requieren fuertes fuerzas de corte y el rendimiento de las herramientas suele ser inadecuado. Además, existe un fenómeno de resistencia que posee el acero inoxidable, lo que significa que a medida que avanza el proceso de mecanizado de corte, el acero inoxidable se vuelve más duro a nivel de la superficie. Más aún, la investigación indica que las velocidades de avance inadecuadamente optimizadas, combinadas con la aplicación correcta de fluidos de corte, brindan al operador facilidad y aumentan la vida útil de la herramienta al mismo tiempo que mantienen las tolerancias adecuadas.

3. Aleaciones de titanio

El titanio, que posee una resistencia y estabilidad térmica superiores, se utiliza ampliamente en las industrias aeroespacial y médica. Sin embargo, su conductividad mecánica y térmica y su tendencia a recuperarse después de ser cortado dificultan mucho el mecanizado. El sobrecalentamiento de las herramientas se debe a la baja conductividad térmica del titanio, lo que genera la necesidad de sistemas de refrigeración más fuertes y velocidades de corte más lentas. Las investigaciones sugieren que estos problemas se pueden resolver aplicando recubrimientos avanzados de TiAlN mientras se utilizan herramientas afiladas con ángulos de corte bajos.

4. Composicion

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) son materiales compuestos que se utilizan ampliamente en las industrias espacial y automotriz debido a su admirable relación resistencia-peso. Estos materiales son mucho más abrasivos que otros debido a las fibras incrustadas y, por lo tanto, hacen que el mecanizado CNC se convierta en un desafío con un alto potencial de desgaste prematuro. Además, las estructuras compuestas que se mecanizan tienen diferentes capas que dificultan la obtención de un acabado más fino. La implementación de herramientas de PCD (diamante policristalino) con mecanizado de alta velocidad ha demostrado minimizar el desgaste y agudizar la precisión de corte, mejorando el proceso general.

5. Metales duros 

Los aceros Inconel y endurecidos soportan algunas de las condiciones más difíciles, como en las palas de turbinas o en los componentes de automoción, donde la versatilidad y las temperaturas extremas son catalizadores. Estos metales son conocidos por ser unos de los más difíciles de mecanizar debido a su capacidad para soportar la deformación. Como resultado, el mecanizado CNC en este tipo de metales tiende a poner una cantidad sustancial de estrés mecánico en la herramienta y la máquina. Las investigaciones apuntan a la utilidad de las herramientas de corte de cerámica o CBN (nitruro de boro cúbico) y la reforma eficaz de los parámetros de corte.

Los ingenieros están continuamente optimizando los procesos de mecanizado de metales duros e implementando avances en la ciencia de los materiales para superar el desafío de mejorar la eficiencia y la calidad final de los productos. Estas soluciones “sencillas” para problemas tan complejos pueden ayudar a controlar con precisión los parámetros de mecanizado, la estrategia de trayectoria de la herramienta e incluso las técnicas de enfriamiento necesarias.

Selección de materiales para un rendimiento y una longevidad óptimos

Para lograr un rendimiento y una vida útil óptimos, la elección inteligente de los materiales requiere comprender el entorno operativo de la aplicación, las condiciones de carga y la duración prevista del servicio. Algunas de las consideraciones más evidentes incluyen las propiedades mecánicas de un material, como la resistencia, la ductilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión, el calor y la fatiga. También se debe prestar atención a los materiales económicos y respetuosos con el medio ambiente para equilibrar el costo con el rendimiento. Para que las selecciones para las implementaciones de proyectos sean lo más precisas y competentes posibles, siempre se deben consultar las hojas de datos de los materiales, los documentos normativos y el asesoramiento de los especialistas.

¿Cómo afecta la selección de materiales a los procesos de torneado CNC?

Efectos de la elección del material en las herramientas de corte y piezas de máquinas

La elección del material tiene un efecto significativo en el desgaste de la herramienta, la eficiencia del proceso de mecanizado y la vida útil de las piezas de la máquina durante las operaciones de torneado CNC. Aumentar la tenacidad de los materiales mecanizables, por ejemplo, mediante el uso de acero inoxidable o titanio, aumenta la tasa de desgaste de la herramienta de corte, que es causada por mayores resistencias de corte de la herramienta. Por otro lado, los materiales mecanizables como el aluminio, que son más blandos que las herramientas de corte, tienden a desgastarse menos pero pueden necesitar recubrimientos adicionales en las herramientas para fines de adhesión. Algunos materiales pueden ser altamente abrasivos y causar desgaste en las piezas y herramientas mecanizables, lo que, si no se controla, puede dañar la máquina. Uno debe asegurarse de que los materiales seleccionados para la pieza puedan ser mecanizados por la máquina disponible y que las herramientas de corte puedan soportar los materiales de la pieza de trabajo. Estas medidas ayudan a lograr el rendimiento deseado a un costo razonable.

Ajuste de parámetros de mecanizado CNC para diferentes materiales

Al trabajar con diferentes materiales, es esencial cambiar parámetros como la profundidad de corte, la velocidad de avance, la velocidad de corte y la aplicación de refrigerante para permitir un corte de precisión mientras se controla el desgaste de la herramienta. Por ejemplo, los materiales más estrictos como el titanio o el acero inoxidable deben cortarse a velocidades más bajas para evitar el sobrecalentamiento y prolongar la vida útil de la herramienta. Para las aleaciones de titanio, las velocidades de corte de 30 a 50 metros por minuto (m/min) son estándar; el acero inoxidable tiene una tolerancia más alta de 60 a 120 m/min según el grado y la herramienta.

Por otro lado, los materiales más blandos, como el aluminio, se pueden cortar a velocidades mucho mayores, a veces tan altas como 600-1,000 m/min si se utilizan herramientas de carburo. Al igual que con la velocidad de corte, la velocidad de avance también debe controlarse, ya que los materiales más rígidos necesitan velocidades de avance más lentas para mantener sus dimensiones y acabado superficial. Para el acero inoxidable, las velocidades de avance entre 0.08 y 0.3 milímetros por revolución (mm/rev) son estándar, mientras que el aluminio se puede alimentar a velocidades de 0.1 a 0.5 mm/rev.

Otra variable crucial es la profundidad de corte; los materiales más rígidos necesitan profundidades de corte más delgadas para evitar dañar la herramienta de corte. Por ejemplo, las pasadas de desbaste en acero pueden utilizar una profundidad de 2 a 5 mm, mientras que las profundidades mayores son aceptadas fácilmente por el aluminio y los plásticos.

En el mecanizado, el refrigerante cumple una función esencial de gestión térmica. Para aleaciones más complejas o resistentes al calor, se utilizan sistemas de refrigeración por inundación o de alta presión en CNC para disipar el calor y aumentar la vida útil de la herramienta. Para materiales no ferrosos como el aluminio, los refrigerantes por nebulización o el aire pueden reducir la adhesión de virutas y preservar el recubrimiento de la herramienta.

El uso de materiales y configuraciones adecuadas permite obtener una alta precisión en el mecanizado al tiempo que garantiza ciclos más productivos, reduce los costos de reemplazo de herramientas y la eficiencia general en el mecanizado CNC.

Técnicas de acabado específicas del material en torneado CNC

La calidad general de los acabados en el torneado CNC se ve muy afectada por el material que se utiliza y la técnica de acabado adecuada. Esto se debe a que los distintos materiales tienen características distintivas que determinan el tipo de corte, las herramientas y los procedimientos de acabado utilizados. A continuación, se presentan algunas técnicas de acabado específicas para cada material:

Técnicas de acabado para acero

Debido a la resistencia y dureza del acero, su mecanizado económico a menudo utiliza herramientas de corte de carburo o cerámica duraderas. En el acabado de aceros aleados, se pueden emplear varios métodos, incluidos abrasivos de grano fino y compuestos de pulido para suavizar la superficie. Además, el bruñido o rectificado se puede utilizar principalmente para aplicaciones que requieren una tolerancia estricta. Algunos estudios muestran que la vibración y otros defectos de la superficie son menos frecuentes cuando se utilizan velocidades de corte bajas y velocidades de avance altas. En efecto, se logra una fidelidad y precisión dimensional superiores.

Técnicas de acabado del aluminio

Al ser un metal relativamente blando, el aluminio suele ser propenso a problemas como rayaduras superficiales y desarrollo de virutas durante el mecanizado. Es esencial seleccionar herramientas de corte diseñadas adecuadamente con hojas pulidas para reducir la formación de rebabas en los bordes. Las herramientas recubiertas de carbono tipo diamante son más lubricantes, lo que mejora el acabado de las superficies en los bordes. Para el acabado se realiza un microlijado o pulido vibratorio, que permite obtener valores Ra tan bajos como 0.2 µm, lo que resulta adecuado para componentes aeroespaciales y automotrices.

Técnicas de acabado del titanio

Debido a la baja conductividad térmica del titanio en relación con su alta relación resistencia-peso, es difícil escribirlo y cortarlo. Generalmente se recomienda para una mejor área de superficie para operaciones de múltiples pasadas, aunque los cortes ligeros y las bajas velocidades durante el corte también son bastante efectivos. Los carburos revestidos son buenas herramientas ya que pueden soportar el calor producido durante el corte. Como paso posterior al acabado, las técnicas de granallado o electropulido mejoran aún más el acabado al eliminar superficies no deseadas más pequeñas y aumentar la resistencia a la oxidación.

Métodos para el acabado de plásticos

Como materiales no metálicos, se deben utilizar medidas específicas en cuanto a la velocidad de corte y el filo de las herramientas para evitar la fusión y la deformación de la pieza de trabajo. El método de acabado preferido de los plásticos de calidad óptica es el torneado con diamante de una sola punta, con acabados superficiales de Ra por debajo de 0.1 µm. El pulido (con algunos compuestos especiales) es otro medio posible para mejorar la claridad y la suavidad al utilizar máquinas CNC para el tallado de plástico en productos electrónicos y de consumo.

Administración de herramientas Recubrimiento

Los avances en recubrimientos de alto rendimiento para acabado de herramientas con CVD TiAlN han demostrado un gran potencial al mejorar el acabado de herramientas de una amplia gama de materiales. Además, la gestión eficaz de la aplicación de refrigerante durante los procesos de acabado puede mejorar los factores de distorsión térmica hasta en un 30%, lo que da como resultado una mayor calidad del acabado superficial y un menor desgaste de las herramientas.

Esto se puede conseguir aplicando técnicas de acabado específicas para cada material y tecnologías auxiliares avanzadas, que permiten a los fabricantes producir estas piezas sin límites de cantidad y a un coste menor. El acabado correcto permite no solo cumplir los requisitos de superficie correctos, sino también mejorar considerablemente las cualidades funcionales de los componentes mecanizados.

¿Cuáles son las últimas tendencias en materiales para torneado CNC?

Materiales emergentes en el mecanizado CNC: Propiedades y aplicaciones

Aleaciones de titanio

• Características: Los usos de las aleaciones de titanio incluyen el predominio de atributos de resistencia a la corrosión, alto punto de fusión y relación resistencia-peso, lo que las hace ideales para usos que requieren condiciones ambientales extremas.
• Uso: Debido a su excelente biocompatibilidad, se utiliza en herramientas quirúrgicas, implantes ortopédicos y las aleaciones de titanio se emplean ampliamente en componentes aeroespaciales y piezas de automóviles.

Llave de datos:

• Resistencia a la tracción: 1,400 MPa
• Densidad: 4.5 g / cm³
• CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono)
• Características: El CFRP tiene una estructura ligera, alta resistencia a la tracción, resistencia a la fatiga y a la degradación química y un alto rendimiento en comparación con otros materiales.
• Usos: Los equipos deportivos y los accesorios estructurales en automóviles y aviones de alto rendimiento son los principales usos del CFRP.

Llave de datos:

• Relación resistencia a la tracción/peso: 10 veces mayor
• Densidad: ~1.6 g/cm³
• Superaleaciones a base de níquel
• Características: Puede soportar altas temperaturas sin rayarse ni crujir. Otras características incluyen resistencia a la oxidación y excelente deformación bajo carga, lo que es ideal para entornos térmicos extremos.
• Uso: Se aplica en álabes de turbinas, motores y aviones a reacción y en dispositivos de ingeniería de procesos químicos.

Llave de datos:

• Rango de fusión: 1350°C a 1400°C
• Densidad: 8.4 – 9.0 g/cm³
• El PEEK, el PTFE y otros plásticos de ingeniería exhiben una alta resistencia mecánica con estabilidad térmica y factores de crecimiento superiores, lo que hace que el plástico de ingeniería sea atractivo.
• Otros usos incluyen componentes eléctricos, dispositivos médicos y maquinaria ligera. En las industrias aeroespacial y de semiconductores, el PEEK es especialmente apreciado.

Llave de datos: 

• Temperatura de funcionamiento (PEEK): 260 grados Celsius
• Densidad (PTFE): 2.2 g/cm³

Aceros para herramientas 

• Propiedades: Estos aceros poseen una excepcional tenacidad, resistencia al desgaste y altos niveles de resistencia incluso cuando se deforman. En condiciones severas, estos aceros conservan sus atributos de rendimiento, lo que los hace ideales para el mecanizado de alta tensión.
• Aplicaciones: Ideal para herramientas de corte, matrices y moldes de mecanizado CNC.

Llave de datos: 

• Dureza (HRC): 68 o más
• Resistencia a la tracción: 2000 MPa
• Aleaciones de aluminio
• Propiedades: Las aleaciones de aluminio son bastante ligeras y poseen una gran conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Además, son económicas y fáciles de mecanizar, lo que las hace muy útiles para trabajos CNC.
• Aplicaciones: Común en los mercados aeroespacial, automotriz y de electrónica de consumo.

Llave de datos: 

• Densidad: 2,7 g / cm³
• Resistencia a la tracción (aleación 6061): 310 MPa

Estos materiales emergentes permiten que los tejidos cumplan con estándares operativos específicos y al mismo tiempo intenten mantenerse al día con el progreso tecnológico. Cada material ofrece ventajas únicas adaptadas a aplicaciones particulares. Los diseños que implican que un conductor CNC funcione de manera excepcionalmente fácil y confiable pueden utilizar estos materiales específicos.

Avances en la ciencia de los materiales que impactan en el torneado CNC

La mejora en la ciencia de los materiales ha tenido un impacto significativo en las operaciones de torneado CNC, permitiendo la producción de componentes precisos, duraderos y de alto rendimiento. En la era moderna, se dirige una mayor atención hacia los nuevos materiales y sus correspondientes procesos de mecanizado para satisfacer las necesidades industriales más estrictas.

Por ejemplo, las superaleaciones modernas Inconel y Hastelloy suponen un avance tecnológico. Estos materiales son indispensables para las industrias aeroespacial y energética debido a su increíble resistencia al calor y a la corrosión. Tomemos, por ejemplo, las palas de turbinas aeroespaciales modernas. El uso de la aleación Inconel 718 es bastante habitual. No solo resiste temperaturas extremas, sino que tiene una resistencia a la tracción de más de 1000 MPa a 700 °C. Los materiales para herramientas como el diamante policristalino (PCD) y el nitruro de boro cúbico (CBN) también han ayudado a modernizar el mecanizado de materiales duros.

Otro gran avance se produce con los materiales compuestos, como los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Aunque los CFRP tienen una relación resistencia-peso excepcional, plantean desafíos en el torneado CNC porque son muy abrasivos. Los avances en las herramientas de corte, incluidas las herramientas recubiertas de diamante y las velocidades de avance optimizadas, han generado ganancias sustanciales en la eficiencia de mecanizado y la calidad de la superficie de estos compuestos. Los CFRP se utilizan ahora ampliamente para componentes automotrices debido a su peso ligero y su eficiencia mejorada de combustible.

Además, los metales tradicionales tienen nuevos tratamientos superficiales y recubrimientos que amplían su uso. Por ejemplo, las aleaciones de titanio, que antes se utilizaban en aviones y ahora se combinan con recubrimientos nanoestructurados de nueva estructura, muestran una resistencia al desgaste más excelente y son más mecanizables. Un ejemplo es el titanio de grado 5 (Ti-6Al-4V), que se utiliza a menudo para implantes médicos y componentes de naves espaciales. Estas aleaciones metálicas tienen una densidad de 4.43 g/cm³ y resistencias a la tracción de hasta 950 MPa; por lo tanto, las piezas de aluminio que son ligeras y resistentes se pueden mecanizar fácilmente.

También se han desarrollado compuestos de matriz metálica (MMC), que integran materiales metálicos con refuerzos cerámicos para lograr compuestos firmes y térmicamente estables. Por ejemplo, los MMC de aluminio reforzados con carburo de silicio proporcionan resistencias a la tracción de 300-600 MPa y características térmicas mejoradas, lo que los hace ideales para piezas de motores y sistemas que pierden calor.

Estos nuevos materiales, combinados con nuevos métodos de mecanizado y herramientas CNC, son diferentes de lo que era posible antes con los tornos CNC. Los materiales más complejos ahora se pueden trabajar con mayor precisión, mayor productividad y menor desgaste de las herramientas, lo que genera componentes de mejor calidad para aplicaciones avanzadas.

¿Cómo puedo optimizar el uso del material en proyectos de torneado CNC?

Estrategias para reducir el desperdicio de material en el mecanizado CNC

Optimización del diseño de piezas

Concéntrese en diseñar piezas más eficientes en términos de geometría y complejidad de características. Aplique técnicas de diseño para fabricación (DFM) para utilizar la menor cantidad de material posible sin comprometer el propósito del diseño.

Planificación eficiente de trayectorias de herramientas

Utilice tecnologías de construcción CAD/CAM modernas para crear trayectorias de herramientas que aprovechen al máximo los materiales disponibles y produzcan la menor cantidad de desechos. Estas pueden incluir técnicas de anidamiento y estrategias de corte adaptativas que pueden reducir drásticamente los desechos.

Cómo seleccionar el tamaño adecuado del material

Utilice materias primas que tengan un tamaño más cercano al de la pieza terminada para garantizar que se desperdicie menos material durante los procesos de mecanizado.

Reciclaje y reutilización de materiales de desecho

Los materiales sobrantes y de desecho se deben recolectar y reciclar para proyectos futuros siempre que sea razonable. Esto minimiza el desperdicio y reduce el gasto total de material.

Uso de prácticas de mecanizado de precisión

Configure todas las máquinas y herramientas adecuadamente para lograr los cortes correctos, ya que esto mejorará las posibilidades de obtener el corte adecuado y reducirá el desperdicio de material.

La aplicación de estas técnicas mejora la gestión de costos de los fabricantes y ayuda a lograr la sostenibilidad manteniendo altos estándares de producción.

Consideraciones sobre reciclaje y sostenibilidad en la selección de materiales

En su lugar, seleccione materiales que sean reciclables y renovables y que hayan sido procesados ​​previamente. El aluminio y el acero son materiales remodelados populares y muy adecuados para la fabricación sostenible. Siempre que sea posible, se deben utilizar materiales biodegradables, más específicamente, ciertos polímeros y fibras naturales. Revise y estudie las evaluaciones del ciclo de vida de la producción de materiales para comprender el impacto ambiental y trabaje con proveedores comprometidos con prácticas sostenibles como la certificación de materiales y el abastecimiento ético. Esto minimiza las preocupaciones ecológicas y, al mismo tiempo, satisface las necesidades de fabricación.

Opciones de materiales rentables para diferentes volúmenes de producción

Para la terminación de proyectos con volúmenes de producción reducidos se necesitan materiales de mecanizado CNC económicos que no requieran una gran inversión inicial. Se trata, por ejemplo, de materiales fabricados o de tamaño estándar que generan menos residuos durante el mecanizado y cuestan menos.

Para volúmenes de producción medianos, considere materiales con una relación costo-rendimiento promedio, como plásticos de ingeniería o aleaciones con suficiente durabilidad pero que no cuesten demasiado.

Los grandes volúmenes de producción se benefician enormemente de las economías de escala, ya que ayudan a compensar los gastos en los que se incurre al utilizar materiales de alto rendimiento o formulados a medida. Se puede comprar una gran cantidad de materiales, por ejemplo, compuestos avanzados o metales especializados, a un precio razonable, lo que reduce el costo de cada unidad y garantiza que se satisfagan las necesidades de producción y calidad.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuáles son los materiales más utilizados en el mecanizado CNC?

R: Los materiales más comunes para el mecanizado CNC incluyen variedades tanto metálicas como plásticas. El aluminio, el acero inoxidable, el acero al carbono, el latón y el titanio son algunos de los metales que se suelen elegir para este proceso. El ABS, el policarbonato, el nailon y el acetal son algunos de los materiales plásticos preferidos para el mecanizado CNC. Estas sustancias tienen diversas propiedades, lo que las hace adecuadas para diferentes proyectos de mecanizado CNC.

P: ¿Cómo puedo elegir el material de mecanizado CNC adecuado para mi proyecto?

R: Para elegir los materiales adecuados para la máquina CNC, se deben tener en cuenta factores como el uso previsto de la pieza, la resistencia requerida, las restricciones de peso, la resistencia a la corrosión y el presupuesto. Es importante tener en cuenta la maquinabilidad del material, ya que es más fácil mecanizar materiales que otros tipos. Busque opiniones profesionales de proveedores de servicios que ofrezcan mecanizado CNC para elegir lo que sea adecuado para las necesidades de su proyecto en particular en lo que respecta a la composición del material.

P: ¿Cuáles son algunos tipos de plásticos que se utilizan normalmente en el mecanizado CNC?

R: ABS, policarbonato, nailon, acetal (Delrin), PEEK y UHMW son materiales plásticos comunes que se emplean en el mecanizado CNC. Tienen diferentes atributos como fuerza, flexibilidad o resistencia química. Cuando necesite un prototipo hecho de piezas de plástico, elija ABS. Si necesita dureza y resistencia al desgaste, elija nailon. El policarbonato se puede utilizar cuando se necesita claridad óptica y resistencia al impacto; por lo tanto, se aplica ampliamente en varias aplicaciones dentro del fresado y torneado CNC, donde se trabaja con plástico para mecanizado CNC.

P: ¿Por qué utilizar acero al carbono en el mecanizado CNC?

R: Debido a su resistencia, durabilidad y rentabilidad, el acero al carbono suele ser una opción popular para este tipo de proceso de mecanizado y, como tal, se considera una de las opciones preferidas para metales blandos. Se utiliza habitualmente en piezas con alta resistencia a la tracción y dureza. El acero al carbono se puede endurecer mediante tratamiento térmico, lo que da como resultado propiedades deseables. Aunque puede que no ofrezca la resistencia a la corrosión que ofrece el acero inoxidable, es ideal para situaciones en las que se necesita un material resistente, ya que la mayoría de las máquinas herramienta y los equipos industriales están hechos de él.

P: ¿Qué efecto tiene la selección del material en el proceso de mecanizado CNC?

R: El mecanizado CNC se ve muy afectado por la selección de materiales. Los distintos materiales requieren herramientas, velocidades de corte y velocidades de avance específicas. Por ejemplo, los materiales más duros requieren velocidades de corte más lentas y herramientas más resistentes, mientras que los materiales más blandos se pueden mecanizar más rápido. Además, las propiedades de los materiales también afectan las tolerancias que se pueden lograr y los acabados superficiales que se pueden obtener. La elección correcta del material CNC mejorará la calidad general de las piezas, al mismo tiempo que maximizará la eficiencia del mecanizado y extenderá la vida útil de la herramienta.

P: ¿Qué factores debo tener en cuenta al elegir metal y plástico para mi proyecto de mecanizado CNC?

R: Hay varios factores a tener en cuenta al elegir entre metales y plásticos para su proyecto de mecanizado CNC, que incluyen requisitos de resistencia, limitaciones de peso, condiciones ambientales y costo, entre otros. Los metales generalmente tienen mayor resistencia y resistencia al calor que los plásticos; por lo tanto, son más apropiados para componentes estructurales o aplicaciones de alto estrés. Los plásticos son livianos y menos resistentes a la corrosión, y también son más económicos en la mayoría de los casos. Dependiendo de aspectos como las propiedades mecánicas, la resistencia química deseada o los fines estéticos, elija metal o plástico como la mejor fuente de fabricación posible para sus necesidades en máquinas CNC para lograr sus objetivos a la perfección.

Fuentes de referencia

1. “Comparación de la tasa de eliminación de material de la aleación de aluminio AA6082 entre una nueva herramienta recubierta de AlTiN y una herramienta de carburo sin recubrimiento en torneado CNC” por Venkata Ganga Babu Cheekatla y D. Vinodh (2022)

Principales hallazgos:

• Este estudio pretende considerar las tasas de remoción de material (MRR) para la aleación de aluminio 6082 mecanizada con diferentes herramientas de recubrimiento.
• Los resultados muestran que la herramienta recubierta de AlTiN supera a la herramienta de carburo sin recubrimiento con respecto a MRR, es decir, 0.19745 g/s en comparación con 0.16110 g/s, respectivamente, lo que indica una buena mejora del rendimiento a través del recubrimiento en el proceso de mecanizado.

Metodología:

• Ambas herramientas se utilizaron para realizar operaciones de torneado en aleación de aluminio AA6082. Se realizaron mediciones de MRR y análisis estadísticos para determinar si las diferencias observadas eran significativas.

2. Título del artículo: “Optimización experimental de parámetros de torneado de alta precisión de materiales AL6061 para la industria automotriz basada en análisis relacional de Grey” por J. Puoza et al. (2023).

Principales Conclusiones

• Esta investigación presenta un estudio de optimización de los parámetros de torneado de la aleación de aluminio AL6061, uno de los materiales más utilizados en la industria automotriz. Es valorado por sus favorables propiedades mecánicas y maquinabilidad.
• Se demostró que se lograron velocidades de corte y velocidades de avance óptimas, lo que resultó en un error de dimensión mínimo y una microdureza de la superficie mejorada.

Metodología

• Los autores realizaron su estudio utilizando un enfoque de diseño compuesto central (CCD) para descubrir cómo los diferentes parámetros de mecanizado afectaban el rendimiento del AL6061 durante el proceso de torneado utilizando la metodología de superficie de respuesta (RSM).

3. Título: Rahul Sharma et al. (2021). “Optimización de los parámetros del proceso de mecanizado de la aleación de aluminio AA6262 T6 para torneado CNC mediante análisis relacional de Grey”

Principales hallazgos:

• Este artículo busca optimizar los parámetros de mecanizado de la aleación de aluminio AA6262 T6, que es altamente mecanizable y resistente.
• Estos hallazgos revelan que optimizar la velocidad de avance, la velocidad de corte y la profundidad de corte puede mejorar enormemente la rugosidad de la superficie y la tasa de eliminación de material.

Métodos:

• Los investigadores emplearon el análisis relacional de Grey (GRA) para optimizar los parámetros de torneado mediante la realización de experimentos con insertos de carburo sin recubrimiento en condiciones de corte en seco.

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