Una guía para el rectificado y acabado de acero inoxidable

Para asegurar una pasivación correcta, un técnico limpia electroquímicamente una costura de soldadura longitudinal en una sección curvada de acero inoxidable.

Imagine que un fabricante cierra un contrato que implica fabricación crítica de acero inoxidable. Chapa metálica y secciones tubulares fluyen por el corte, doblado y soldadura, luego llegan a la estación de acabado. La parte consta de una placa soldada verticalmente a un tubo. La soldadura se ve bien, pero no es la perfección de “monedas apiladas” que el cliente espera. Así que el rectificador y el terminador gastan tiempo removiendo un poco más de metal de soldadura que lo usual, luego siguen con lijado y pulido. Entonces, por desgracia, surge un tono azulado significativo en la superficie – un indicador de una entrada de calor excesiva. En este caso, significa que la parte no cumplirá los requerimientos del cliente.

Siendo usualmente procesos hechos a mano, el rectificado y el acabado requieren destreza y delicadeza. Los errores en el acabado pueden ser extraordinariamente caros, considerando todo el valor que ya se le puesto a la pieza de trabajo. Si encima se usa un material caro y sensible al calor, los costos por el retrabajo y el desperdicio aumentan aún más. Si además surgen complicaciones como contaminación y falla de pasivación, un trabajo en acero inoxidable otrora rentable puede volverse una desventura en la cual se pierda dinero e incluso reputación.

¿Cómo pueden evitar todo esto los fabricantes? Pueden empezar por desarrollar un conocimiento del rectificado y del acabado, qué papel tiene cada uno, y cómo afecta cada uno a la pieza de trabajo de acero inoxidable.

Rectificado contra acabado

Estos términos no son sinónimos. De hecho, cada uno tiene un objetivo fundamentalmente diferente. El rectificado remueve material como rebabas y exceso de metal de soldadura, mientras que el acabado pone un acabado en la superficie del metal (vea la Figura 1 y la Figura 2). La confusión es comprensible, considerando que quienes rectifican con una rueda de grano grande remueven mucho metal rápidamente y al hacerlo dejan rayas muy profundas. Sin embargo, en el rectificado, las rayas son sólo el efecto; la remoción rápida de material es el objetivo, especialmente cuando se trabaja con un metal sensible al calor como el acero inoxidable.

El acabado ocurre en pasos, pues el operador empieza con un grano más grande y baja a discos de lijado de grano más fino, abrasivo no tejido, y quizás una tela de fieltro y pasta pulidora para lograr un acabado espejo. La meta es lograr un cierto acabado final (patrón de rayas). Y cada paso (grano más fino) remueve rayas más profundas que el paso previo y las reemplaza con rayas más pequeñas.

Debido a que el rectificado y el acabado tienen objetivos diferentes, con frecuencia éstos no se complementan entre sí y, con la estrategia equivocada de consumibles, realmente pueden actuar uno contra el otro. Para remover metal de soldadura en exceso, un operado usar una rueda de rectificado y deja rayas muy profundas, luego pasa la parte a un terminador que ahora debe pasar mucho tiempo removiendo esas rayas profundas. Esta secuencia, que se mueve de rectificado a acabado, podría seguir siendo la manera más efectiva de cumplir los requerimientos de acabado de un cliente. Sin embargo, repito, éstos no son procesos complementarios.

Con mucha frecuencia las piezas de trabajo diseñadas teniendo en mente la manufacturabilidad no requieren ni rectificado ni acabado. Las partes que pasan sólo por rectificado lo hacen debido a que el rectificado es la manera más rápida de remover una soldadura u otro material, y las rayas profundas dejadas por la rueda de rectificado cumplen plenamente los requerimientos del cliente. Las partes que requieren sólo acabado son fabricadas de manera que no requieran cantidades excesivas de remoción de material. Un excelente ejemplo es una parte en acero inoxidable con una soldadura por arco con electrodo de tungsteno protegida por gas de buena apariencia, que sólo necesita rebajarse y hacer que concuerde con el patrón de acabado del material base.

Estrategias de rectificado

Un rectificador con una rueda de rectificado con una baja tasa de remoción puede enfrentar retos significativos al trabajar con acero inoxidable. De nuevo, el calor excesivo puede causar un tono azulado y cambiar las propiedades del material. La meta es mantener el acero inoxidable tan frío como sea posible durante todo el proceso.

Con ese propósito, ayuda elegir una rueda rectificadora con la tasa de remoción más rápida posible para la aplicación y el presupuesto. Las ruedas con granos de circonia rectifican más rápido que los de óxido de aluminio, pero en la mayoría de los casos una rueda rectificadora cerámica funciona mejor.

Siendo sumamente duros y filosos, los granos cerámicos se desgastan de una manera única. En lugar de desgastarse lisos, mantienen su borde filoso conforme se rompen gradualmente. Esto significa que puede remover material sumamente rápido, con frecuencia en sólo una fracción del tiempo en que pueden hacerlo otras ruedas rectificadoras. Esto usualmente hace que valga la pena el costo extra de las ruedas rectificadoras cerámicas. Son adecuadas para aplicaciones de acero inoxidable debido a que remueven rápidamente virutas grandes, generando menos calor y distorsión.

FIGURA 1. Un trabajador en la estación de preparación para soldadura rectifica un tubo de acero inoxidable.

Independientemente de la rueda rectificadora que elija un fabricante, éste necesita tener en mente el potencial de contaminación. La mayoría de los fabricantes saben que no pueden usar la misma rueda rectificadora en acero al carbón y en acero inoxidable; muchos separan físicamente sus operaciones de rectificado de acero al carbón y acero inoxidable. Hasta una diminuta chispa de acero al carbón que llegue a caer en la pieza de trabajo de acero inoxidable puede causar problemas de contaminación. Muchos sectores industriales, como el farmacéutico y el nuclear, requieren consumibles clasificados como libres de contaminantes; esto significa que las ruedas rectificadoras usadas en acero inoxidable deben ser casi libres de fierro (menos del 0.1%), azufre y cloro.

Las ruedas rectificadoras por si solas no rectifican, necesitan una herramienta de potencia. Cualquiera puede publicitar los beneficios de una rueda abrasiva o de una herramienta de potencia, pero la realidad es que las herramientas de potencia y sus ruedas rectificadoras trabajan como un sistema. Las ruedas cerámicas están diseñadas para trabajar con rectificadoras de ángulo con cierta cantidad de potencia y torque. Aunque algunas rectificadoras neumáticas tienen las especificaciones necesarias, la mayor parte del rectificado con rueda cerámica ocurre con herramientas de potencia eléctrica.

Una rectificadora con potencia y torque insuficientes puede causar problemas importantes, hasta con el abrasivo más avanzado. Una falta de potencia y torque hace que la herramienta se ralentice significativamente bajo presión, evitando esencialmente que las partículas cerámicas en la rueda hagan el trabajo para el que fueron diseñadas: remover rápidamente virutas grandes de metal y, al hacerlo, inducir menos calor en el material.

Esto puede exacerbar un ciclo vicioso: los operadores de rectificado ven que el material no está siendo removido, por lo que instintivamente presionan más fuerte, lo cual a su vez genera calor excesivo y coloración azulada. Éstos eventualmente presionan tan fuerte que vidrian la rueda, lo cual los hace presionar todavía más fuerte y generar más calor antes de darse cuenta de que necesitan cambiar la rueda. Si trabajan de esta manera en tubo delgado o chapa, eventualmente rompen el material.

Ciertamente, este ciclo vicioso puede ocurrir hasta con las mejores herramientas disponibles si los operadores no están capacitados adecuadamente, especialmente en cuanto a la presión que aplican a la pieza de trabajo. La mejor práctica es quedarse lo más cerca posible del amperaje nominal de la rectificadora. Si los operadores están usando una rectificadora de 10 amperes, deben presionar lo suficientemente fuerte para que la rectificadora consuma alrededor de 10 amperes.

Si un fabricante procesa mucho acero inoxidable caro, usar un amperímetro puede ayudar a estandarizar las operaciones de rectificado. Ciertamente, en realidad pocas operaciones usan regularmente un amperímetro, por lo que la siguiente mejor acción es escuchar atentamente; si los operadores escuchan y sienten las RPM bajando rápidamente, es probable que estén presionando demasiado fuerte.

Tratar de escuchar una presión demasiado ligera (es decir, muy poca presión) puede ser difícil, por lo que en este caso puede ser útil poner atención al flujo de chispas. Rectificar acero inoxidable produce chispas más oscuras que el acero al carbón, pero deben ser visibles y proyectarse desde el área de trabajo de una manera consistente. Si los operadores de repente ven menos chispas, probablemente es porque no están aplicando suficiente presión o la rueda rectificadora está vidriada.

Los operadores también necesitan mantener un ángulo de trabajo consistente. Si se aproximan a la pieza de trabajo a un ángulo casi plano (casi paralelo a la pieza de trabajo), corren el riesgo de sobrecalentar un área amplia; si se aproximan a un ángulo demasiado alto (cercano a la posición vertical), corren el riesgo de encajar el borde de la rueda en el metal. Si están usando una rueda rectificadora Tipo 27, deben aproximarse a la pieza de trabajo a un ángulo entre 20 y 30 grados. Si tienen una rueda Tipo 29, su ángulo de trabajo debe ser alrededor de 10 grados.

Las ruedas rectificadoras Tipo 28 (cónicas) se usan normalmente para rectificar superficies planas para remover material en una trayectoria de rectificado más ancha. Estas ruedas cónicas también operan mejor a un ángulo de rectificado más bajo, a alrededor de 5 grados, por lo que ayudan a reducir la fatiga del operador.

Esto introduce otro factor crítico: elegir el tipo correcto de rueda rectificadora. Las ruedas Tipo 27 tienen un punto de contacto en la superficie del metal; las ruedas Tipo 28 tienen una línea de contacto debido a su forma cónica; y las ruedas tipo 29 tienen una superficie de contacto.

FIGURA 2. Un trabajador acaba un marco de acero inoxidable usando un disco de lijado.

Siendo por mucho las más comunes, las ruedas Tipo 27 funcionan para muchas aplicaciones, pero su forma hace difícil trabajar con partes con contornos profundos y curvas – por ejemplo, un ensamble soldado de tubo de acero inoxidable. La forma contorneada de las ruedas Tipo 29 facilita el trabajo a los operadores que necesitan rectificar una combinación de superficies curvas y planas. Las ruedas Tipo 29 hacen esto aumentando el área de contacto superficial, lo cual significa que los operadores no necesitan gastar mucho tiempo rectificando en cada lugar – una buena estrategia para mitigar la acumulación de calor.

De hecho, esto se aplica cuando se usa cualquier rueda rectificadora. Al rectificar, los operadores nunca deben quedarse mucho tiempo en el mismo lugar. Por ejemplo, un operador está removiendo metal de un filete que tiene varios centímetros de largo. Podría manipular la rueda en movimientos cortos hacia arriba y hacia abajo, pero hacer esto podría sobrecalentar la pieza de trabajo, porque está manteniendo la rueda en un área pequeña por un periodo prolongado. Para reducir la entrada de calor, el operador puede atravesar toda la soldadura en una dirección cerca de un pie de soldadura, luego levantar la herramienta (dándole a la pieza tiempo para enfriarse) y atravesar el trabajo en la misma dirección cerca del otro pie de soldadura. Otras técnicas también pueden funcionar, pero todas comparten una desventaja: evitan el sobrecalentamiento manteniendo la rueda rectificadora en movimiento continuo.

La técnica de “peinado hacia atrás” usada comúnmente ayuda a lograr esto también. Por ejemplo, un operador está rectificando una soldadura de junta a tope en la posición horizontal. Para reducir el esfuerzo por calor y el excavado excesivo, evita presionar la rectificadora a lo largo de la junta. Más bien, empieza en el extremo y jala la rectificadora a lo largo de la junta. Esto además evita que la rueda excave demasiado en el material.

Ciertamente, cualquier técnica puede sobrecalentar el metal si el operador va demasiado lento: si va demasiado lento, un operador puede sobrecalentar la pieza de trabajo; si va demasiado rápido el rectificado puede tardarse mucho. Encontrar el punto óptimo de la velocidad de alimentación usualmente viene con la experiencia. Sin embargo, si los operadores son nuevos en el trabajo, pueden rectificar en materiales de desecho para aprender a “sentir” la velocidad de alimentación correcta para la pieza de trabajo en cuestión.

Estrategias de acabado

Las estrategias de acabado giran en torno a la condición de la superficie del material cuando éste llega y sale del departamento de acabado. Establezca el punto de inicio (condición de la superficie tal y como se recibió) y el punto final (acabado deseado), luego desarrolle un plan que encuentre la mejor ruta entre esos dos puntos.

Usualmente la mejor ruta no empieza con un abrasivo altamente agresivo. Esto podría sonar contradictorio; después de todo, ¿por qué no empezar con un grano grueso para lograr un acabado aproximado y luego cambiar a granos más finos? ¿Empezar con un grano más fino no sería extraordinariamente ineficiente?

No necesariamente, y tiene que ver de nuevo con la naturaleza del acabado. Con cada paso hacia un grano más pequeño, los terminadores reemplazan las rayas más profundas con rayas más finas y más superficiales. Si empiezan con un disco de lijado o de aletas de grano 40, por ejemplo, están poniendo rayas profundas en el metal. Si esas rayas hacen que la superficie se acerque al acabado deseado, excelente; es por eso que existen esos consumibles de acabado de grano 40. Sin embargo, si el cliente demanda un acabado No. 4 (un acabado cepillado direccional) por ejemplo, las rayas profundas creadas por ese abrasivo grano 40 tardarán mucho tiempo en ser removidas. Los terminadores irán bajando a través de numerosos tamaños de grano o estarán gastando mucho tiempo con un abrasivo de grano fino para remover esas rayas grandes y reemplazarlas con rayas más pequeñas. Todo esto no sólo es ineficiente, sino que además introduce calor excesivo en la pieza de trabajo.

Ciertamente, usar un abrasivo de grano fino en una superficie áspera puede ser algo lento y, combinado con una mala técnica, introduce calor excesivo. Es aquí donde puede ayudar el disco dos en uno o de aletas intercaladas. Estos discos comprenden una tela abrasiva combinada con un material acondicionador de superficies. Éstos permiten al terminador remover de manera efectiva material con el abrasivo mientras que además deja un acabado más liso.

El siguiente paso hacia el acabado final puede implicar el uso de un material no tejido, y esto ilustra una característica única para el acabado: el proceso funciona mejor con una herramienta de potencia de velocidad variable. Una rectificadora de ángulo recto operando a 10,000 RPM podría funcionar con algunos medios abrasivos, pero fundirá completamente cierto material no tejido. Por esta razón, los terminadores reducen la velocidad a un valor entre 3,000 y 6,000 RPM antes de empezar un paso de acabado con un consumible no tejido. Ciertamente, la velocidad exacta depende de la aplicación y del consumible. Por ejemplo, los cilindros no tejidos (vea la Figura 3) se usan comúnmente entre 3,000 y 4,000 RPM, mientras que los discos acondicionadores de superficies se usan entre 4,000 y 6,000 RPM.

Tener las herramientas correctas – rectificadora de velocidad variable, diferentes medios de acabado – y determinar el número óptimo de pasos esencialmente brinda una guía, que revela la mejor ruta entre el material tal como se recibió y el material acabado. La ruta exacta varía dependiendo de la aplicación, pero los terminadores experimentados transitan esa vía usando técnicas de acabado similares.

FIGURA 3. Un cilindro no tejido acaba una superficie de acero inoxidable. Para un acabado efectivo y una vida óptima de los consumibles, medios diferentes de acabado funcionan a RPM diferentes.

Primero, ellos se toman su tiempo. Si ven que una pieza de trabajo de acero inoxidable delgado se está calentando, dejan de hacer el acabado en un área y empiezan en otra. También pueden trabajar en dos piezas diferentes al mismo tiempo; trabajan un poco en una y luego en la otra, dándole tiempo a la otra pieza de trabajo para que se enfríe.

Cuando está puliendo a un acabado a espejo, un terminador podría hacer lijado cruzado con un cilindro o disco de acabado, lijando en una dirección perpendicular al paso previo. El lijado cruzado resalta áreas donde el patrón de rayas previo necesita ser rebajado, aunque todavía no hace que la superficie tenga un acabado de espejo No. 8. Para crear el acabado brillante deseado, se necesitan una tela de fieltro y una rueda pulidora después de que se remuevan todas las rayas (vea la Figura 4).

Para lograr el acabado correcto, un fabricante necesita darle a los terminadores las herramientas correctas, tanto herramientas en sí como medios, así como herramientas de comunicación, como muestras que establecen estándares en cuanto a cómo debe verse un cierto acabado. Estas muestras – pegadas cerca del departamento de acabado, en la documentación de capacitación, así como en la literatura de ventas – ayudan a todo mundo a unificar criterios.

Con respecto a las herramientas en sí – incluyendo las herramientas de potencia y los medios abrasivos – algunas geometrías de partes pueden presentar retos incluso para los empleados más experimentados en el departamento de acabado. Es aquí donde pueden ayudar las herramientas especializadas.

Pongamos que un operador necesita acabar un ensamble tubular de pared delgada de acero inoxidable. Usar un disco de aletas o incluso un cilindro puede causar problemas, induciendo exceso de calor y a veces hasta creando un punto plano en el tubo en sí. Aquí, las lijadoras de banda diseñadas para tubo pueden ser útiles (vea la Figura 5). La banda rodea la mayor parte del diámetro del tubo, lo que amplía el punto de contacto, aumenta la eficiencia y reduce la entrada de calor. Sin embargo, como en todo lo demás, el terminador tiene que seguir moviendo la lijadora de banda a diferentes áreas para mitigar la acumulación de calor excesivo y evitar la coloración azulada.

Lo mismo se aplica a otras herramientas de acabado de especialidad. Considere una lijadora de dedo diseñada para espacios estrechos. Un terminador podría usarla para rebajar una soldadura de filete entre dos hojas a un ángulo agudo. En lugar de mover la lijadora de dedo verticalmente (algo así como cepillarse los dientes), el terminador la mueve horizontalmente a lo largo de la punta superior de la soldadura de filete, luego la punta inferior, todo mientras se asegura de que la lijadora de dedo no se quede en un lugar por mucho tiempo.

Prueba de pasivación

Soldar, rectificar y acabar acero inoxidable introduce otra complicación: asegurar la pasivación correcta. Después de todas estas perturbaciones a la superficie del material, ¿hay contaminantes remanentes que podrían evitar que se formara la capa de cromo del acero inoxidable de manera natural sobre toda la superficie? Lo último que quiere un fabricante es un cliente enojado quejándose por partes oxidadas o contaminadas. Es aquí donde entran en escena la limpieza correcta y la rastreabilidad.

La limpieza electroquímica puede ayudar a eliminar contaminantes para asegurar una pasivación correcta, pero ¿cuándo debe hacerse esta limpieza? Eso depende de la aplicación. Si los fabricantes limpian el acero inoxidable para promover una pasivación completa, usualmente lo hacen justo después de soldar. No hacerlo así significaría que los medios de acabado podrían recoger contaminantes superficiales de la pieza de trabajo y dispersarlos en otro lado. Sin embargo, para algunas aplicaciones críticas, un fabricante podría optar por insertar pasos de limpieza adicionales – y quizás hasta una prueba de pasivación correcta antes de que el acero inoxidable saliera de la planta de producción (vea la Figura 6).

Pongamos que un fabricante suelda un componente crítico de acero inoxidable para la industria nuclear. Un soldador experto en soldadura por arco con electrodo de tungsteno protegida por gas hace una costura con apariencia perfecta de monedas apiladas. Sin embargo, repito, ésta es una aplicación crítica. Un empleado en el departamento de acabado usa un cepillo conectado a un sistema de limpieza electroquímica para limpiar la superficie de la soldadura. Luego usa un abrasivo no tejido y una tela de acabado para rebajar los pies de soldadura y llevar todo a un acabado de cepillo uniforme. Luego viene un cepillo final con el sistema de limpieza electroquímica. Después de estar esperando un día o dos, se prueba la pasivación correcta de las partes con un dispositivo de prueba portátil. Los resultados, documentados y guardados con el trabajo, muestran que la parte fue pasivada por completo antes de que saliera de la planta.

Evite el retrabajo caro

Rectificar, acabar y limpiar para pasivación en acero inoxidable usualmente ocurre bastante corriente abajo en la mayoría de las plantas de fabricación. De hecho, estos procesos usualmente se hacen no mucho antes de que los trabajos se embarquen.

Una pieza que no se acaba adecuadamente crea algunos de los desperdicios y retrabajo más caros, por lo que tiene sentido para los fabricantes echar otro vistazo a sus departamentos de rectificado y acabado. Mejoras en el rectificado y acabado pueden FIGURA 1 Un trabajador en la estación de preparación para soldadura rectifica un tubo de acero inoxidable.FIGURA 1 Un trabajador en la estación de preparación para soldadura rectifica un tubo de acero inoxidable.ayudar a liberar cuellos de botella importantes, mejorar la calidad, eliminar dolores de cabeza y, lo más importante, mejorar la satisfacción del cliente.

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