El mecanizado de composites adquiere una nueva dimensión
Los sectores aeroespacial, de automoción deportiva y de energía eólica se beneficiarán especialmente de una nueva generación de fresas, desarrolladas por SANDVIK COROMANT
El mecanizado de composites es completamente diferente del mecanizado convencional de metales. Es más, se puede decir que el mecanizado de cada tipo de material compuesto es distinto. De esto se infiere que las implicaciones para los talleres del mecanizado que fabrican estos materiales son considerables, pues se requiere con frecuencia una reevaluación de las herramientas y de los métodos, y en algunos casos también de la maquinaria y de los sistemas de sujeción. Los materiales compuestos constan de dos materiales con características distintas, que se combinan en un material nuevo cuyas propiedades no se consiguen con uno solo de los materiales primarios que lo forman. En la actualidad, los composites son materiales sintéticos que constan de una matriz con fases dispersas en su composición.
La acción de corte en los composites es bastante distinta de la que se obtiene en los metales. El filo de corte no genera la viruta mediante cizallamiento como en la mayoría de los metales, sino por rotura del material compuesto, cortando la matriz al tiempo que se fracturan las fibras de refuerzo en el proceso. El mecanizado de composites basa en general en un corte con filos agudos y con suficiente incidencia, que produzca un corte limpio y reduzca la tendencia de la herramienta a friccionar la pieza. Constituye un factor importante la reducción al mínimo del desgaste de la herramienta, ya que los cambios de geometría del filo de corte conducen con rapidez a una generación de calor excesiva, rotura del filo y problemas en la calidad del componente.
Consumo creciente en la industria
En la actualidad, el mayor consumo de composites se produce como material estructural en los sectores aeroespacial, de automoción deportiva y de energía eólica. En el caso de las estructuras aeroespaciales el objetivo es conferirles rigidez, resistencia y duración. Los materiales compuestos ofrecen una excelente relación resistencia-peso y se pueden modelar con perfiles complejos. Comparado con el aluminio, el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) presenta normalmente una resistencia a la tracción 14 veces mayor, una expansión térmica 19 veces menor, una rigidez 5 veces mayor y todo ello con un peso que es prácticamente la mitad. No obstante, el CFRP y sus muchos derivados son también más difíciles de mecanizar en todas sus clases.
El CFRP no disipa bien el calor y, dado que no se producen virutas, es difícil disipar eficazmente el calor de la zona de corte. Esto implica que el efecto de la temperatura, tanto en el material de la herramienta como en el material de la pieza, se debe estudiar con atención, ya que la temperatura excesiva puede dañar la matriz del material compuesto.
Tanto las fibras de refuerzo como la matriz del material compuesto pueden ejercer una gran abrasión en la herramienta de corte, lo que convierte la duración de la herramienta en uno de los principales problemas. Las fuerzas de corte son otro factor importante del mecanizado de composites, ya que la presión ejercida sobre las piezas y la influencia del filo de corte en el acabado y en la precisión son preocupaciones fundamentales. Las piezas con frecuencia son sensibles al efecto de estas fuerzas, ya que muchas son finas, largas o con paquetes metálicos.
Las ventajas se acumulan
El taladrado de CFRP con paquetes de aluminio o titanio se ha convertido en una tarea habitual en los sectores aeroespacial y de automoción deportiva. Un material compuesto laminar consta de una serie de láminas apiladas y cementadas de forma que la orientación de la resistencia varíe de una capa a la siguiente. El taladrado en estos materiales resulta una tarea difícil porque en la entrada y en la salida del agujero el material se puede astillar e incluso separarse en sus distintas capas (exfoliación). Para conseguir el acabado superficial deseado es necesario conseguir una acción de corte satisfactoria entre las capas de fibra y la matriz, en parte debido a las variaciones que presentan las propiedades de los materiales de CFRP.
Cada vez que se mejoran la resistencia al impacto y la resistencia térmica de los materiales compuestos que se diseñan, el mecanizado demanda más atención y soluciones nuevas. Algunos materiales de fibra de carbono soportan muy bien las temperaturas extremas, por lo que se pueden emplear en las cercanías de las turbinas, pero esta misma característica dificulta aún más el mecanizado debido a que se produce abrasión del filo de corte de la broca.
Hacer agujeros en materiales compuestos se está haciendo cada vez más difícil a medida que dichos materiales evolucionan para satisfacer los requisitos de los nuevos diseños de aeronaves. Los requisitos de calidad de los agujeros son estrictos, al tiempo que el grado de automatización aumenta constantemente, con una tendencia a eliminar etapas secundarias de mecanizado.
El taladrado de materiales de CFRP se puede resolver con frecuencia de forma relativamente sencilla; sin embargo, cuando se presentan combinados con capas de titanio, la transición del material compuesto al titanio requiere unos datos de corte ajustados y que las virutas de titanio se formen y se manejen de forma que no afecten a la superficie del material compuesto.
Es obvio que la herramienta de corte también necesita ser capaz de mecanizar correctamente estos dos materiales tan distintos. En el taladrado, las velocidades de corte de entre 100 y 200m/min. son corrientes a bajas velocidades de avance, normalmente entre 0,02 y 0,06mm/rev. Los diámetros empleados en el taladrado de composites oscilan normalmente entre 3,0mm y 12,7mm.
El mecanizado de composites es específico de cada aplicación
Las soluciones de mecanizado, dependientes de la aplicación, pueden hacer uso de alguna de las nuevas geometrías CoroDrill® de Sandvik Coromant. CoroDrill 854 y 856 han sido desarrolladas para satisfacer los estrictos requisitos de los materiales de CFRP y paquetes de aluminio más modernos, y ofrecen una duración de la herramienta larga y homogénea para satisfacer estrechas tolerancias en todo momento. El perfil geométrico de CoroDrill 854 está pensado para mejorar la calidad de la entrada y de la salida en los agujeros de los materiales con alta proporción de fibra. Una selección idónea de la broca es fundamental para conseguir una calidad, una seguridad del proceso y un coste por agujero óptimos. Con esto en mente, la geometría en punta de CoroDrill 854 es la recomendada cuando hay problemas de astillado o desflecado, mientras que los clientes encontrarán más ventajas con el uso de CoroDrill 856 si tienen problemas de exfoliación en materiales con alta proporción de resina; esto se debe fundamentalmente a su geometría de ángulo doble, que facilita una entrada y una salida suaves de la pieza.
En un principio, y para evaluar la facilidad de mecanizado, se recomienda una velocidad media del husillo de alrededor de 2.000rpm y una baja velocidad de avance. De esta manera se pueden estudiar las propiedades del mecanizado para ajustar los datos de corte o reevaluar la selección de la geometría o la calidad de la herramienta. Las exigencias de calidad superficial son crecientes y rondan el valor de 1,6 Ra; este factor junto con el índice de capacidad, CPK, afecta también a la selección de la geometría y la calidad.
Afrontando el reto
Al igual que ocurre con la calidad superficial de los agujeros, los requisitos de calidad de las superficies planas son altos en las piezas de composites, lo que requiere estrategias innovadoras con modernas herramientas de plaquitas intercambiables. La gama de productos CoroMill® incluye fresas como la fresa de planear CoroMill 590 y la fresa frontal CoroMill 390 con punta de diamante policristalino o plaquitas recubiertas, que son especialmente eficaces en los composites con alta proporción de fibra.
Las herramientas deben cortar con facilidad, con una generación mínima de fuerzas, al tiempo que deben ofrecerse en varias geometrías distintas para obtener la mejor solución en cada caso, dadas las características tan variables de los composites. En lo que respecta al material de la herramienta, las brocas de metal duro con recubrimiento de diamante se emplean en aquellas aplicaciones con menor estabilidad, como en los casos en que se usan máquinas portátiles, comúnmente utilizadas para el montaje de aeronaves. Las brocas y las fresas con punta de diamante (PCD) ofrecen una mayor duración, ya que el diamante resiste el desgaste que producen los distintos materiales de fibra de carbono y de paquetes, incluido el titanio. En las tareas de fresado las plaquitas con punta de diamante son las más corrientes, mientras que las herramientas de metal duro con recubrimiento de diamante se pueden utilizar para el recorte de piezas de fibra de carbono, a pesar de su menor duración.
La solución más favorable se puede determinar mediante un simple cálculo económico. La velocidad de arranque de viruta es importante, pero con frecuencia no es el factor principal. La calidad de un agujero, combinada con una duración y un coste satisfactorios de la herramienta, afecta más a la productividad en el caso del mecanizado de composites. Por ejemplo, si se consigue el acabado requerido en una única etapa, se pueden eliminar etapas secundarias de mecanizado, al tiempo que la mayor duración de la herramienta reduce el tiempo de inactividad de la máquina.
Para conseguir buenos resultados en el campo del mecanizado de composites, en continua evolución, el uso de herramientas de corte específicas para el tipo de material en cuestión es un factor esencial. No obstante, el establecimiento de los parámetros idóneos para las tareas concretas y la consecución de la configuración correcta son factores decisivos para ser competitivos.
SANDVIK COROMANT
tel. 91 6605100
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