Los materiales difíciles no son un problema para los insertos cerámicos

Mientras que la fabricación justo a tiempo (JIT) de piezas tiene muchas ventajas para un cliente de taller, a menudo los talleres enfrentan desafíos con este tipo de programa de producción. La razón es que no hay espacio para ajustes en el cumplimiento de los tiempos de entrega.

Esto era especialmente así para TNG Energy Services Inc., una compañía geotérmica que proporciona tanto equipos como servicios desde su casa matriz en Bakersfield, California. La compañía trabaja normalmente con un esquema JIT en conjunto con estrictos requerimientos de control de calidad, lo cual llevaba a sus empleados a trabajar con altas cantidades de tiempo extra. Esto debido, en gran parte, a los desafíos de mecanizar ranuras en los componentes de válvulas para aplicaciones en campos petroleros, empleando insertos de carburo convencionales.

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Al cambiarse a insertos cerámicos de Greenleaf Corp., TNG pudo reducir radicalmente los tiempos de ciclo para dos de las aplicaciones de fabricación de válvulas, ajustándose a los tiempos de entrega sin incurrir en costos adicionales por tiempo extra.  

Antes de cambiarse a la cerámica, TNG usaba insertos de carburo para producir dos ranuras para anillos API sobre cuerpos de válvula de 3-1/8 pulgadas de diámetro con un torno de motor manual de 1963, un proceso que tomaba entre 10 y 15 minutos en completarse.

El verdadero desafío, sin embargo, era el reacondicionamiento de dichos cuerpos de válvulas, ya que con frecuencia esto requería realizar corte en materiales de difícil mecanizado como el Inconel. Por ejemplo, luego de abrir las ranuras en el material base de acero fundido 3/16 de pulgadas más grande que las especificaciones API, la válvula pasaba al departamento de soldadura para el revestimiento con Inconel. Desde allí, el proceso involucraba la apertura de una ranura recta sobre la cara con una herramienta para ranurado frontal, seguida por una herramienta para ranurado de anillos API.

Esto era solo posible al moverse axialmente 0.100 pulgadas en el corte, moviéndose después en una dirección radial positiva y negativa hasta el ancho completo de la ranura. Luego de esto, el operario debía mover la herramienta otras 0.050 pulgadas y combinar de lado a lado para ajustarse al ancho del corte radial previo.

Estos pequeños incrementos se repetían hasta que se alcanzaba la profundidad total de corte. Un operario experimentado y eficiente, como el líder de operarios de TNG, Cimaron Hylton, podía producir una ranura en cerca de 45 minutos, sin embargo, muchas veces tomaba aproximadamente una hora.

De acuerdo con el señor Hylton, tomar esas pequeñas profundidades de corte era necesario para reducir la vibración y el castañeo, aunque esto no lo eliminaba por completo. Muchas veces durante el proceso de ranurado, el operario debía verificar el diámetro de paso para garantizar la precisión. Además, debían pulir a mano las paredes anguladas de la ranura.

Estimulada por la impredecible vida útil de las herramientas, TNG se cambió a los insertos cerámicos de Greenleaf. En la aplicación de la ranura en anillo, la compañía decidió usar la herramienta de corte para ranuras en anillo Ring Max API, con insertos cerámicos reforzados con fibra WG-300.

Diseñados específicamente para la industria de petróleo y gas, la línea de herramental para ranurado  de anillos Ring Max de Greenleaf, está diseñada para reducir el tiempo de mecanizado de ranuras  en anillo API, mientras que el concepto básico del WG-300 incluye el reforzamiento de una matriz cerámica dura con cristales o filamentos de carburo de silicio extremadamente fuertes y resistentes.

Estos filamentos están dispersos dentro de una matriz de óxido de aluminio de grano fino, donde actúan en la forma en la que los filamentos de vidrio actúan en la fibra de vidrio, por ejemplo, mejorando el comportamiento a la tensión y mejorando la resistencia a la fractura de la frágil matriz.  

Aunque el WG-300 está diseñado para ofrecer excelente resistencia al impacto y al desgaste a altas velocidades superficiales para súper aleaciones a base de níquel y cobalto, este grado se ajusta bien a la aplicación de TNG, que trabaja los materiales con una potencia relativamente modesta (20 hp) en su fresadora CNC Hwacheon Vesta 1050B.

Los insertos cerámicos muestran realmente sus colores durante las aplicaciones de reacondicionamiento, indica Hylton. Luego de que se aplica el recubrimiento con Inconel, él fresa la soldadura que se ha creado sobre el flanche y sigue con la herramienta Ring Max, cortando la ranura en anillo en solo 28 segundos. Gracias a que el mecanizado de la ranura en anillo es un corte continuo, se emplea refrigerante a través del husillo.

El refrigerante es usado, no para enfriar el inserto, sino para hacer la viruta más frágil y que ésta se quiebre en piezas más pequeñas, a veces volviéndose prácticamente polvo.

TNG emplea también insertos cerámicos en sus trabajos convencionales de corte de asientos de válvulas en acero inoxidable 410 con un revestimiento de Estelite. De acuerdo con Hylton, esta aplicación es compleja debido a que la ranura va a través del Estelite, luego a través de la zona afectada por el calor y luego hasta el material base, una aplicación que requiere material de corte con durezas entre 40 y 67 HRC.

Con los insertos de carburo, Hylton indica que tenía que avanzar en incrementos de 0.005 pulgadas para generar cualquier borde. Además, la cantidad de retracción que estaba programada en el ciclo de avance debía ser más grande de lo usual, debido a las enormes cantidades de presión sobre la herramienta.

En este caso, la superficie real de la interfaz entre la herramienta y la pieza de trabajo estaba 0.010 pulgadas más allá de la posición real de la máquina. La necesidad de tener un colchón de 0.012 pulgadas entre avances incrementaba el desplazamiento de alimentación real a 1.498 pulgadas; esto significaba que la máquina tenía que alimentar un total de seis veces la profundidad real de la ranura. La naturaleza lenta de este proceso era exacerbada por la necesidad de hacer incrementos minúsculos.

Otro problema era la baja velocidad de la máquina. Ésta simplemente no tenía el torque necesario para mecanizar de manera eficiente todas las capas de material y simplemente dañaría todo, indica Hylton. A menudo él usa tres puntas de inserto de carburo durante el proceso, debiendo parar, remover el inserto, cambiarlo y reiniciar de nuevo el ciclo. Todo el proceso de ranurado llevaba entre 47 minutos y una hora para ejecutarse. Pero podría ser peor, Hylton dice que algunas veces el inserto se rompía aleatoriamente; no había ninguna consistencia.

Ahora, la compañía emplea una herramienta para ranurado frontal con los insertos cerámicos Xsytin-1 de Greenleaf y una cuchilla de soporte. De acuerdo con Greenleaf, el Xsytin-1 es un grado de inserto cerámico de fase endurecida que se muestra promisorio para una variedad más amplia de materiales que la tecnología de insertos cerámicos tradicionales, llenando el vacío entre los insertos cerámicos y de carburo convencionales para materiales exóticos, así como para materiales más convencionales, como aceros blandos e inoxidables.

La compañía indica que su proceso de manufactura cerámica de fase endurecida, desarrollado para sus grados libres de recubrimiento, genera insertos predecibles, resistentes al impacto térmico y al desgaste que son dos veces más fuertes que los grados con filamentos WG-300 de la compañía. Esto permite también la generación de un filo más agudo del inserto, lo cual puede conducir a reducir la presión de la herramienta y a mejores acabados superficiales.

La ranura es producida en un solo movimiento, eliminando también la pasada de acabado. Cuando TNG empezó a usar la herramienta cerámica para ranurado frontal, Hylton dice que estaba nervioso. Él cuestionaba a su representante de Greenleaf sobre las velocidades de corte sugeridas. Sin embargo, dice que sus miedos pronto fueron despejados cuando vio cómo el Estelite salía como polvo. La herramienta para ranurado frontal puede cortar la ranura en 30 o 40 segundos.

El señor Hylton dice que ha notado que el grado Xsytin-1 presenta un desgaste significativamente menor cuando se finaliza la ranura, así que planea hacer la transición de la aplicación Ring Max al nuevo grado de inserto, una vez haya acabado con su lote de WG-300.

Mientras los insertos cerámicos pueden ser usados potencialmente para más de una ranura, explica que él los cambia luego de cada ranura para estar seguro. Pero, incluso con una ranura por inserto, indica que está impresionado con la predictibilidad y longevidad de los insertos cerámicos. De hecho, ha dejado de tratar de alargar la vida de la herramienta en la operación de ranurado frontal, pues los insertos cerámicos son comparables en precio con los insertos de carburo cuando se consideran los ahorros en tiempo.

Dadas las ganancias en productividad para una sola operación de la válvula, Hylton no tiene dudas en cambiarse a los insertos cerámicos. TNG está planeando producir dos válvulas por semana en el futuro gracias a estas mejoras.

 “Un pequeño inserto ha hecho una gran diferencia,” indica Hylton.