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Plaquitas de CBN frente a metal duro: ¿Qué herramienta de corte es la adecuada para su aplicación?
Una plaquita incorrecta en una pieza templada significa una pieza desechada o un filo arruinado. El CBN y el metal duro resuelven problemas diferentes. Este artículo le indica exactamente cuándo utilizar cada uno de ellos.
¿Qué es un inserto CBN y cómo se fabrica?
CBN son las siglas de Nitruro de Boro Cúbico. Se fabrica con calor y presión extremos, igual que los diamantes sintéticos. En la escala de dureza de Knoop, mide entre 4.000 y 5.000 KHN. Es la segunda dureza más alta después del diamante.
Entonces, ¿por qué no utilizar diamantes? Porque el diamante reacciona con el hierro a altas temperaturas. Se descompone rápidamente en el acero y el hierro fundido. El CBN no reacciona con el hierro. Por eso el CBN funciona en metales ferrosos endurecidos y el diamante no.
Muchas plaquitas de CBN se fabrican con una capa de corte de CBN unida a un sustrato de metal duro, especialmente las plaquitas de CBN con punta o soldadas. Las plaquitas de CBN macizo contienen material de CBN en todo el cuerpo de la plaquita y se utilizan para aplicaciones de mecanizado duro más pesadas o exigentes. La capa de CBN realiza el trabajo de corte.
Plaquitas CBN con punta
A plaquita CBN con punta tiene un pequeño segmento de CBN soldado en una o más esquinas de un cuerpo de metal duro. La mayoría de los talleres las utilizan para acabado y semiacabado. Las plaquitas CBN con punta están disponibles con una, dos o hasta ocho esquinas utilizables. CNGA y DNGA son las formas más comunes para torneado CNC.
Plaquitas de CBN sólido (Macizas)
A inserto macizo de CBNt es CBN todo el camino a través. El cuerpo completo absorbe y propaga mejor el calor. Por eso aguantan cargas más pesadas y velocidades más altas. Utilice CBN macizo cuando desbaste acero templado o cuando trabaje a la máxima velocidad del husillo en fundición dura.
¿Qué es una plaquita de metal duro y dónde alcanza su límite?
Plaquitas de metal duro se fabrican sinterizando partículas de carburo de wolframio en un aglutinante de cobalto. El cobalto confiere dureza a la plaquita. La dureza oscila entre 1.000 y 2.000 KHN, muy inferior a la del CBN, pero muy superior a la del acero rápido.
El metal duro es el material para herramientas de corte más utilizado en el mecanizado CNC. Con él se puede tornear, fresar, taladrar y perforar. Acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, latón, titanio y la mayoría de las aleaciones no ferrosas. Las calidades recubiertas van más allá en materiales más duros y temperaturas más altas.
Calidades de carburo revestido
Los recubrimientos de PVD como TiAlN y AlTiN prolongan la vida útil de la herramienta en aceros más duros. Algunas calidades de metal duro recubierto alcanzan hasta 50 HRC. Por debajo de 45 HRC, el metal duro recubierto es casi siempre suficiente.
Por qué falla el carburo en materiales duros
La temperatura es el problema en los materiales duros. El aglutinante de cobalto empieza a ablandarse por encima de los 900°C. Cuando esto ocurre, el filo se deforma. El desgaste se acelera rápidamente. Por eso, es difícil utilizar metal duro por encima de HRC 45 en materiales duros.
Tabla comparativa de dureza del CBN frente al metal duro
| Estado de la pieza | Elección de herramientas comunes | Notas |
|---|---|---|
| Por debajo de 45 HRC | Plaquitas de metal duro / plaquitas de metal duro recubiertas | Rentable para torneado, fresado y mandrinado en general |
| 45-50 HRC | Carburo revestido o CBN según la aplicación | Elija en función del tamaño del lote, la tolerancia, el acabado superficial y el objetivo de vida útil de la herramienta. |
| Por encima de 50 HRC, acabado continuo | Plaquitas CBN con punta | Comúnmente utilizado para torneado duro y acabado estable |
| Por encima de 50 HRC, cortes interrumpidos o más pesados | Plaquitas CBN macizas / calidades CBN de alto contenido | Mejor para impactos más fuertes o condiciones de mecanizado más duras |
| Tolerancia muy ajustada o requisito de superficie especial | Torneado o rectificado en duro CBN | La selección depende de la geometría de la pieza, la tolerancia y el acabado superficial |
El error más común con CBN
Utilizar CBN en material blando es un error. El metal blando no corta limpiamente, sino que se pega y arrastra contra la herramienta. Este arrastre dañará el filo más rápidamente que los metales duros. Puede utilizar CBN para superficies duras y dura más cuando el material es duro. Si el material está por debajo de 48 HRC, está malgastando el dinero porque la herramienta se desgastará demasiado rápido.
El error más común con el carburo
Utilización de metal duro por encima de 50 HRC a velocidades normales. La vida útil de la herramienta se desploma. El acabado superficial se degrada rápidamente. Se pasa más tiempo indexando plaquitas que cortando piezas.
Resistencia al calor del CBN frente al metal duro: ¿Qué plaquita soporta altas temperaturas?
El torneado de acero templado genera más de 1.000°C en la punta de la herramienta. No a veces. Siempre.
Cómo gestiona el calor el CBN
El CBN se mantiene duro hasta unos 1.200°C. De modo que el calor no daña el filo. El CBN funciona en seco en la mayoría de los casos. El refrigerante intermitente es peor que la ausencia de refrigerante. Los cambios de temperatura agrietan la capa de CBN. Si utiliza refrigerante, hágalo desde el principio y nunca se detenga a mitad de corte.
Cómo gestiona el calor el carburo
Las herramientas de metal duro fallan a temperaturas en torno a los 800 ºC. A temperaturas tan elevadas, el aglutinante de cobalto del interior de la herramienta se reblandece y el filo pierde su forma. El uso de refrigerante es muy importante para el metal duro. Porque mantiene la herramienta fría y ayuda a que dure mucho más.
¿Pueden las plaquitas de CBN sustituir al rectificado para el acabado superficial?
Esto es a menudo lo que fuerza la decisión hacia la CBN en primer lugar.
Acabado superficial con plaquitas CBN
El CBN sobre acero templado da Ra de 0,28 a 0,8 µm. Las tolerancias de más o menos 0,01 mm son normales. Los ensayos de torneado duro en seco en AISI 4140 a 50 HRC confirman que el CBN alcanza Ra 0,28 µm en buenas condiciones de corte.
Esto es calidad de rectificado. Un eje de transmisión templado a 62 HRC puede alcanzar la dimensión final y el acabado de espejo en una sola pasada de torno. Sin rectificadora. Sin preparación adicional. Sin tiempo de transferencia entre máquinas.
Esta herramienta produce una calidad tan buena como una rectificadora. Por ejemplo, puede acabar un eje de metal muy duro de 62 HRC a su tamaño final y con un brillo de espejo en una sola vuelta en el torno. No necesita una rectificadora ni pasos adicionales para mover la pieza entre diferentes máquinas.
Acabado superficial con carburo sobre material duro
El uso de metal duro en materiales duros proporciona un acabado superficial de Ra 0,35 µm en el mejor de los casos. Este acabado empeora a medida que se desgasta la herramienta. Si necesita un acabado perfecto en metal duro, el metal duro no es fiable.
Una clara señal de que necesita CBN es cuando el acabado parece bueno en las primeras piezas pero se vuelve malo en la pieza 15 ó 20. Esto ocurre porque el carburo se desgasta pronto en superficies duras. Esto ocurre porque el carburo se desgasta muy pronto en superficies duras.
Vida útil de las plaquitas de CBN frente a las de metal duro
En materiales endurecidos por encima de HRC 50, el CBN dura aproximadamente de 5 a 10 veces más que el metal duro. Esta cifra varía en función de la calidad, el material y los parámetros, así que utilícela como una guía aproximada.
Desgaste predecible con CBN
En la práctica, lo que se consigue con el CBN es un desgaste predecible. Utilizas un taladro endurecido y sabes por experiencia que ese filo te dará 50 piezas limpias. Se indexa en la pieza 50. Sin sorpresas. Esa consistencia es importante cuando se trabaja con volumen.
El desgaste por CBN se manifiesta como un cambio en el acabado superficial antes de que la pieza se salga de tolerancia. Se ve venir. Con el metal duro sobre material duro, el fallo de la herramienta tiende a ser más repentino. Una pieza está bien, la siguiente no. Esa diferencia es importante en el mecanizado sin supervisión.
Vida útil de las herramientas de metal duro en materiales duros y blandos
El carburo sobre material duro es menos predecible. El desgaste es más rápido y desigual. Una plaquita aguanta más, la siguiente no. En la producción, esa inconsistencia crea chatarra.
En materiales más blandos, el metal duro tiene una gran vida útil. Por debajo de 45 HRC no hay razón para pagar por CBN.
¿Cuándo utilizar plaquitas CBN?
Torneado duro de automóviles
Las piezas de la cadena cinemática del automóvil son el mayor mercado para el CBN. Engranajes de transmisión templados a HRC 58 a 62, cigüeñales, árboles de levas, Carreras de rodamientos, tambores de freno, discos de freno. Las piezas salen del horno de tratamiento térmico y van directamente a un torno CNC con CBN. Dimensión final y acabado en una sola pasada.
Por ejemplo, el agujero del cojinete de un engranaje endurecido es un trabajo típico de CBN. Una plaquita realiza un turno completo. El mismo orificio con metal duro necesita varios cambios de índice y sigue teniendo problemas para mantener la tolerancia al final de la tirada.
Mecanizado de hierro fundido
La fundición es otra historia, pero el CBN también es fuerte en este caso. Fundición gris y fundición con alto contenido en cromo a 500 a 1.000 m/min. Discos de freno, bloques de motor, orificios de cilindros. La fundición es muy abrasiva y destruye rápidamente el carburo. El CBN soporta la abrasión porque es mucho más duro.
Torneado duro de matrices y moldes
Los aceros templados para herramientas en matrices y moldes, de 63 HRC y superiores, solían requerir rectificado tras el tratamiento térmico. El CBN cambió esta situación. Ahora, muchos fabricantes de moldes acaban el acero templado directamente en el torno.
Aeroespacial y superaleaciones
Las superaleaciones con base de níquel, como el Inconel en el sector aeroespacial y energético, también se mecanizan con CBN. Estas aleaciones mantienen su dureza a altas temperaturas, por lo que el carburo a velocidades normales no funciona bien.
Cuándo utilizar plaquitas de metal duro en lugar de CBN
Aceros blandos y de dureza media
Utilice metal duro para materiales por debajo de 45 HRC. Esto incluye acero dulce, acero de carbono medio, acero inoxidable, aluminio y latón. El metal duro es bueno para estos materiales y además es asequible.
Materiales no ferrosos
Los materiales no ferrosos como el aluminio o el latón necesitan carburo o Insertos PCD. CBN es sólo para metales que tienen hierro. En aluminio o latón, el CBN no ayuda en absoluto. Así que el carburo revestido es una forma más rápida y barata de cortar estos materiales.
Prototipos y series cortas
El metal duro es mejor para fabricar prototipos o un número reducido de piezas. Una herramienta de CBN cuesta entre 5 y 20 veces más que una de metal duro. Si solo fabrica una o dos piezas, nunca ahorrará lo suficiente para pagar la costosa herramienta de CBN.
Mecanizado de uso general
Para los talleres que realizan muchos trabajos diferentes con distintos materiales y tamaños, el metal duro es la mejor opción. Por ejemplo, puede utilizar metal duro para fresar, tornear, taladrar y mandrinar. El CBN no puede realizar todos esos trabajos diferentes.
Comparación entre las plaquitas de CBN y el metal duro Coste por pieza
El precio del inserto no es lo que importa. Lo es el coste por pieza acabada.
Cómo el CBN reduce el coste por pieza en la producción
Las plaquitas de CBN cuestan más al principio. Pero funcionan durante más tiempo, se cambian con menos frecuencia y, en piezas templadas, a menudo eliminan el paso de rectificado. Menos cambios de herramienta significa menos tiempo de inactividad. Menos tiempo de inactividad significa más piezas por turno.
Tomemos este ejemplo. Un engranaje de transmisión, material 20CrMnTi, templado a HRC 58 a 62, tolerancia IT6, acabado superficial Ra 0,8 requerido. El metal duro no puede alcanzar Ra 0,8 de forma fiable con esa dureza. El CBN cumple la especificación y funciona durante todo el turno. El coste por pieza con CBN acaba siendo inferior, incluso con el precio más elevado de la plaquita.
Torneado en duro frente a rectificado
Un torno CNC con plaquitas CBN puede sustituir a una rectificadora cilíndrica para trabajos de torneado duro. Una rectificadora cuesta de tres a cinco veces más que el torno. Si el CBN le permite evitar la compra de una, el coste de la herramienta se justifica por sí solo.
Cuando el carburo es la opción más barata
Los pequeños comercios suelen evitar el CBN por el precio inicial. Esto tiene sentido para tiradas cortas. Pero si se trabaja con el mismo componente templado semana tras semana, las cuentas cambian rápidamente. Calcule cuántas plaquitas de metal duro gasta a la semana en ese trabajo y compárelo con una plaquita de CBN para el mismo volumen.
Velocidades, avances y profundidad de corte de plaquitas de CBN y metal duro
Parámetros de corte CBN para torneado duro
Para el torneado con CBN de acero templado entre HRC 45 y 68, la velocidad de corte suele ser de 80 a 250 m/min. El hierro fundido va mucho más rápido, hasta 1.000 m/min. La velocidad de avance para el acabado es de 0,04 a 0,15 mm/rev. La profundidad de corte para el acabado es de 0,05 a 0,5 mm.
Utilice CBN de grano fino cuando el acabado superficial sea importante. El grano grueso no puede alcanzar Rz 3,2. Trabaje en seco siempre que pueda. Si necesita refrigerante, empiece a inundar antes de empezar el corte. Nunca cambie de seco a húmedo a mitad de corte. El choque térmico agrieta la plaquita.
Mantenga el radio de la punta completamente dentro del material. Si el filo sale del corte y vuelve a entrar, se astilla. Esto ocurre sobre todo en trabajos de perforación cuando la configuración no es lo suficientemente rígida. La plaquita soporta la carga de corte. No soporta el impacto repetido del rebote de la herramienta.
Parámetros de corte de metal duro
Para el metal duro en acero en general y materiales mixtos, la velocidad de corte es de 100 a 400 m/min según la calidad y el recubrimiento. El aluminio funciona entre 400 y 1.000 m/min con la calidad adecuada. El metal duro funciona con una geometría de desprendimiento positivo, admite cortes interrumpidos por debajo de 45 HRC y funciona bien con refrigerante por inmersión.
Cómo elegir la calidad adecuada de las plaquitas CBN
El porcentaje de contenido de CBN y el tipo de aglutinante son los dos factores que determinan el rendimiento de un grado.
Grados de bajo contenido en CBN
Aglutinante cerámico, mejor estabilidad química y resistencia al desgaste. Utilícelas para acero templado en cortes continuos, acabado de pistas de rodamientos, ejes de transmisión y taladros templados donde la calidad de la superficie es el objetivo.
Grados con alto contenido de CBN
Ligante metálico, más duro, menos resistente al desgaste. Mejor para cortes interrumpidos. Torneado de engranajes con chaveteros, refrentado de piezas con agujeros, taladrado transversal. También es bueno para fundición de alta velocidad. La fundición necesita resistencia a la abrasión, no estabilidad química, por lo que el aglomerante más duro funciona bien.
Grados CBN recubiertos
El CBN recubierto añade una capa de PVD, normalmente TiN, sobre la superficie. Esto reduce la oxidación del filo y ayuda a velocidades moderadas con mayores profundidades de corte. Resulta útil cuando se realizan pasadas más pesadas y la vida útil de la herramienta es más importante que la velocidad de corte máxima.
Granulometría CBN
Al seleccionar una calidad, pregunte también a su proveedor por el tamaño del grano. El grano fino proporciona un mejor acabado superficial. El grano grueso dura más en las pasadas de desbaste. La mayoría de las aplicaciones de acabado en acero templado necesitan grano fino para alcanzar Ra 0,8 o inferior.
Requisitos de rigidez de la máquina para torneado en duro con CBN
Por qué el CBN exige una configuración rígida
El CBN necesita una configuración rígida. Los rodamientos de husillo desgastados, la sujeción floja o las vibraciones romperán las plaquitas. Usted pensará que la calidad es incorrecta. Normalmente el problema es la máquina.
Compruebe el par de apriete del portaherramientas antes de utilizar CBN. Por ejemplo, si la plaquita está ligeramente floja, se moverá durante el corte. Entonces este pequeño movimiento astilla el filo de la herramienta. Parecerá que la herramienta está rota, pero el verdadero problema es la sujeción.
Las herramientas CBN utilizan una geometría de desprendimiento negativo. Este diseño empuja la fuerza de corte hacia el cuerpo de la herramienta. Esto crea una mayor presión en la máquina. El husillo de la máquina, el portaherramientas y la forma de sujetar la pieza deben ser muy resistentes para soportar esta fuerza.
Por qué el metal duro tolera las configuraciones imperfectas
El metal duro es más fácil de usar. Por ejemplo, puede elegir herramientas con ángulos de desprendimiento positivos. Posteriormente, el cobalto del interior de la herramienta absorbe más golpes y vibraciones. Esto significa que las vibraciones dañan menos la herramienta. Por tanto, si la configuración de su máquina no es perfecta, el metal duro es más seguro y le da más margen para cometer errores.
Selección de plaquitas de CBN frente a metal duro
Paso 1: Comprobar la dureza de la pieza
Por encima de 50 HRC, utilice CBN. Por debajo de 45 HRC, utilice metal duro. Entre 45 y 50 HRC, pruebe primero con metal duro recubierto antes de gastar en herramientas de CBN.
Paso 2: Comprobar el tipo de material
El CBN es sólo para metales ferrosos. El aluminio, el latón, el cobre y los materiales compuestos necesitan carburo o PCD. La dureza no cambia eso.
Paso 3: Comprobar el tamaño del lote
El CBN amortiza su coste en tiradas medianas y grandes. En tiradas cortas, la ventaja de la vida útil de la herramienta no tiene tiempo de compensar el precio de la plaquita.
Paso 4: Comprobar los requisitos de acabado superficial
Si su requisito de acabado en una pieza templada es Ra 0,8 o mejor, el metal duro no lo conseguirá. Sólo eso significa CBN.
Paso 5: Comprobar el tipo de corte
Para cortes interrumpidos en material endurecido, engranajes con chaveteros, ejes estriados, piezas con agujeros transversales, utilice CBN macizo con un grado resistente de alto contenido. El CBN con punta es para acabado continuo. Las plaquitas cerámicas se fracturan en cortes interrumpidos duros.
Conclusión
Por encima de HRC 50 en material ferroso, CBN. Todo lo demás, carburo. El rango de 45 a 50 HRC depende del tamaño del lote, las especificaciones de acabado y la configuración. Si no está seguro de qué grado de CBN se adapta a su aplicación, hable con su proveedor de herramientas de corte antes de realizar el pedido.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre las plaquitas de CBN y las de metal duro?
El CBN es un material artificial muy duro. Se utiliza para cortar metales duros. Funciona mejor en metales con una dureza superior a 45 HRC.
El carburo está hecho de tungsteno y cobalto. Se utiliza para muchos trabajos diferentes. Funciona en la mayoría de los materiales comunes.
¿Es el CBN más duro que el carburo?
Sí. El CBN mide entre 4.000 y 5.000 KHN en la escala de dureza de Knoop. El carburo mide entre 1.000 y 2.000 KHN. El CBN es aproximadamente de dos a cinco veces más duro dependiendo del grado.
¿Es el CBN más duro que el carburo de wolframio?
Sí, el carburo de wolframio mide entre 1.000 y 2.000 KHN. El CBN, de 4.000 a 5.000 KHN, es significativamente más duro. Sólo los diamantes son más duros que el CBN.
¿Cuándo utilizar plaquitas CBN?
Utilice CBN cuando su metal sea más duro de 50 HRC. Funciona mejor en hierro y acero. Utilícelo cuando necesite que todas las piezas tengan el mismo acabado liso. También es ideal cuando se necesitan tamaños exactos para muchas piezas seguidas.
