Los fabricantes aeroespaciales combinan m�quinas, herramientas, geometr�as y materiales de herramientas para mecanizar las HRSA

La industria aeroespacial se ha fijado el objetivo de reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero para 2050, seg�n informa el LA Times. Las normativas sobre emisiones m�s exigentes requieren temperaturas de servicio m�s elevadas para los nuevos tipos de motores y nuevos materiales como las superaleaciones termorresistentes (HRSA) para los componentes m�s calientes. Sin embargo, para los fabricantes es dif�cil el mecanizado eficiente de componentes de HRSA. En este art�culo se explica por qu� una estrategia global equilibrada que abarque la m�quina, las herramientas, las geometr�as y los materiales de las herramientas es esencial para el mecanizado eficiente de componentes de HRSA para motores aeroespaciales.

Las HRSA son los principales materiales usados en los componentes del compresor y la turbina de los motores a reacci�n. Las principales calidades empleadas para estas aplicaciones son los tipos con base de n�quel, como Inconel, Waspaloy y Udimet. No obstante, las propiedades de las HRSA var�an en gran medida dependiendo de la composici�n y del proceso de producci�n. En particular, el tratamiento t�rmico es de gran relevancia: un componente templado por precipitaci�n, es decir, �envejecido�, puede presentar el doble de dureza que una pieza suavemente recocida o no tratada.

Las normativas cada vez m�s exigentes en materia de emisiones obligan a los nuevos tipos de motores a alcanzar temperaturas de servicio m�s elevadas, por lo que se necesitan materiales nuevos para los componentes m�s calientes. En respuesta a estos retos, la cantidad total de HRSA en motores de reacci�n es mayor en comparaci�n con otros materiales.

Sin embargo, las ventajas de las HRSA se ven contrarrestadas por los problemas de fabricaci�n. Primero, la intensidad de las altas temperaturas provoca fuerzas de corte elevadas; segundo, la baja conductividad t�rmica y los excelentes resultados de templabilidad generan temperaturas de corte muy elevadas; Y, finalmente, las tendencias de templado de la pieza provocan desgaste en entalla.

Los discos de turbina, las carcasas, los �labes y los ejes son piezas exigentes; gran parte de ellas son de paredes finas y de formas complejas. Estos componentes de los motores, con un papel clave en la seguridad, deben cumplir con estrictos criterios de calidad y precisi�n dimensional. Las condiciones previas para alcanzar el �xito incluyen disponer de una m�quina potente, de herramientas r�gidas, de plaquitas de alto rendimiento y de una programaci�n �ptima.

Los m�todos de mecanizado dominantes son variables; por lo general, los discos, los anillos y los ejes se tornean, mientras que las carcasas y los �labes se suelen fresar. Encontrar� m�s informaci�n sobre estos m�todos en la web de Sandvik Coromant espec�fica para el conocimiento de la aplicaci�n de los motores aeron�uticos, aeroknowledge.com.

El mecanizado de HRSA suele dividirse en tres etapas. Durante la primera etapa de mecanizado (FSM, por sus siglas en ingl�s), una pieza en bruto forjada o fundida recibe su forma b�sica. La pieza suele encontrarse en estado blando (con una dureza Rockwell t�pica de en torno a 25 HRC), pero a menudo presenta una corteza rugosa e irregular, o cascarilla. La prioridad principal es una excelente productividad y una retirada de material eficiente.

Entre la primera etapa y la fase intermedia de mecanizado (ISM, por sus siglas en ingl�s), la pieza recibe un tratamiento t�rmico para alcanzar un estado envejecido de dureza muy superior (por lo general, en torno a 36-46 HRC). En este punto, el componente puede recibir su forma final, salvo por la tolerancia permitida, que se deja para la fase de acabado. Una vez m�s, los esfuerzos se centran en la productividad, aunque tambi�n es importante la seguridad del proceso.

Durante la �ltima etapa de mecanizado (LSM, por sus siglas en ingl�s), se crean la forma final y el acabado superficial. En este caso, el foco se pone en la calidad superficial y la precisi�n de las tolerancias dimensionales, as� como en evitar las deformaciones y el exceso de esfuerzo residual. En componentes giratorios cr�ticos, las propiedades de fatiga constituyen el criterio de mayor importancia y no existe margen para defectos superficiales que puedan iniciar la formaci�n de grietas. La precisi�n y la fiabilidad de los componentes cr�ticos se garantizan mediante la aplicaci�n de un proceso de mecanizado certificado y de eficacia probada.

Los requisitos generales para las plaquitas intercambiables incluyen una excelente tenacidad del filo y una elevada adhesi�n entre el sustrato y el recubrimiento. Si bien se emplean formas b�sicas negativas por su alta resistencia y su asequibilidad, la geometr�a debe ser positiva.

Siempre debe aplicarse refrigerante al mecanizar HRSA, salvo al fresar con plaquitas de cer�mica. Las plaquitas de cer�mica requieren un volumen abundante, mientras que, en el caso del metal duro, lo esencial es la precisi�n del chorro. Al usar plaquitas de metal duro, el refrigerante a alta presi�n ofrece m�s ventajas, como una vida �til prolongada de la herramienta y un control de virutas eficiente.

Los par�metros de mecanizado var�an en funci�n de las condiciones y del material. En la primera etapa del mecanizado, se busca principalmente una buena productividad mediante el uso de altas velocidades de avance y grandes profundidades de corte. En la fase intermedia de mecanizado, se suelen utilizar plaquitas de cer�mica para alcanzar velocidades m�s elevadas. Las etapas finales se centran en la calidad, por lo que la profundidad de corte es m�s reducida. Dado que una velocidad de corte demasiado elevada puede deteriorar la calidad superficial, para el acabado se utilizan plaquitas de metal duro.

La deformaci�n pl�stica y la entalla son los mecanismos de desgaste m�s habituales de las plaquitas de metal duro, mientras que el desgaste por corte superior es m�s com�n en las plaquitas de cer�mica. La vulnerabilidad a la deformaci�n pl�stica disminuye al aumentar la resistencia al desgaste y al calor. Una geometr�a positiva y un filo agudo son tambi�n factores importantes para reducir la generaci�n de calor y las fuerzas de corte. Para evitar el desgaste en entalla en el filo de corte principal, se recomienda un �ngulo de posici�n peque�o; por ejemplo, a trav�s del uso de plaquitas redondas o cuadradas, o una profundidad de corte inferior al radio de punta.

Las plaquitas con recubrimiento por deposici�n f�sica en fase de vapor (PVD, por sus siglas en ingl�s) son m�s resistentes al desgaste en entalla en el filo principal, mientras que una plaquita con recubrimiento por deposici�n qu�mica en fase de vapor (CVD, por sus siglas en ingl�s) es m�s resistente al desgaste en entalla en el borde final. En la fase de acabado, el desgaste en entalla en el borde de salida puede da�ar el acabado superficial.

Un mecanizado eficiente de componentes de motores fabricados con HRSA requiere una soluci�n integral bien equilibrada que, espec�ficamente, debe tener en cuenta factores como el estado de la pieza, el material de la herramienta y las recomendaciones asociadas de datos de corte, as� como el uso de refrigerante y de estrategias de mecanizado optimizadas. Teniendo en cuenta estos factores, los fabricantes pueden contribuir al objetivo de la industria aeroespacial de reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero para 2050.