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Herramientas de mecanizado compuestas

  • ¿Qué es un material compuesto?
  • Composición y direccionamiento de compuestos
  • Los principales problemas del mecanizado de compuestos
  • Herramientas de fresado
  • Herramientas de perforación
  • Herramienta de diamante superduro: CVD y PCD 

¿Qué es un material compuesto?

Un material compuesto es un material de ingeniería, compuesto por al menos dos o más materiales con propiedades físicas y químicas significativamente diferentes, incluyendo un sustrato que actúa como unión y un refuerzo que actúa como fuerza. A nivel macroscópico, los productos compuestos pueden mantener y encarnar las diferentes propiedades de sus materiales constituyentes.

Según los diferentes sustratos, los materiales compuestos pueden dividirse en tres categorías: compuestos de base polimérica, compuestos de base metálica y compuestos de base cerámica:

    • Los PMC, es decir, los compuestos de base polimérica, son un tipo típico de material compuesto, generalmente se refiere a los FRP, es decir, los plásticos reforzados con fibra. Los FRP están hechos de resina termoestable o termoplástica como matriz, con fibra corta o continua y su tejido como fase de refuerzo, mediante compuesto. Los refuerzos comunes incluyen fibra de vidrio, fibra de carbono y Kevlar (fibra de aramida).
    • Los MMC, o compuestos de base metálica, se utilizan cada vez más en la industria automotriz, donde el material base es un metal, como el aluminio, y el refuerzo suele ser carburo de silicio.
    • Los CMC, es decir, los compuestos de base cerámica, se utilizan comúnmente en entornos de alta temperatura, donde el sustrato es cerámico y el refuerzo es fibra corta, carburo de silicio o nitruro de boro.

Directividad de los materiales compuestos

El refuerzo de fibra se puede convertir en cuerda unidireccional, cinta, o tejido en tela isotrópica.

Ingrediente principal y características del material sustrato

  • Resina epoxi: estándar de alta calidad;
  • Resina fenólica: ignífuga;
  • Resina cianato de BMI: resistencia a altas temperaturas;
  • Fibra de poliéster (poliéster), polietileno: bajo costo;
  • Termoplástico (PEEK, PEKK): resistencia a impactos fuertes. 

En la industria de la aviación, las resinas epoxi se utilizan como sustratos estructurales o aglutinantes para compuestos, los cuales son completamente transparentes. Como refuerzo de la fibra de carbono, el diámetro individual es mínimo. Por lo general, solo 0.005-0.010 mm están formados por átomos de carbono en una estructura de microcristal. Además de la fibra de carbono, el refuerzo compuesto se refiere a la fibra de vidrio y al Kevlar (fibra de aramida). La fibra de carbono es negra, la fibra de vidrio y el Kevlar son blancos y amarillos, respectivamente. El refuerzo de fibra se puede convertir en cables y correas unidireccionales y hilados en tejidos isotrópicos.

El principal problema del mecanizado de compuestos

Comparado con el procesamiento de metales y otros materiales convencionales, debido a las características mencionadas anteriormente, existen algunas dificultades únicas para los materiales compuestos, que incluyen principalmente:

Astillamiento

Desgaste

Desgaste rápido de la herramienta

Delaminación

Composite Milling​

Los enrutadores de compuestos producen un corte limpio de las fibras del material debido al diseño del patrón de ranuras con corte de diamante hacia arriba y hacia abajo. Los rompevirutas de los enrutadores aseguran que las fibras de carbono se reduzcan a polvo para una evacuación rápida, garantizando una generación mínima de calor y tasas de eliminación agresivas con una delaminación y astillamiento mínimos. El recubrimiento de diamante CVD proporciona protección en el filo de corte, lo que resulta en una larga vida útil de la herramienta.

Tipo A: La fresa para fibra de vidrio sin corte final no es ideal para el acabado de contorno, sino para eliminar superficies planas.
Tipo B: La fresa para fibra de vidrio con extremo en punta es adecuada para eliminar contornos y esquinas en ángulo recto.
Tipo C: La fresa para fibra de vidrio con extremo de fresado es adecuada para procesar ranuras, terrazas, etc.
Tipo D: La fresa para fibra de vidrio con extremo de perforación es adecuada para taladrar, realizar cortes aleatorios y rectificar.

Router compuesto con dientes de diamante

Aplicaciones

Evitar la delaminación y el astillamiento

Enrutador tipo D

La fresa para fibra de vidrio con extremo de perforación es adecuada para taladrar, realizar cortes aleatorios y rectificar.

Enrutador tipo C

La fresa para fibra de vidrio con extremo de fresado es adecuada para procesar ranuras, terrazas, etc.

Fresa para laminados compuestos

Los materiales compuestos se utilizan cada vez más en la aviación, yates e interiores de automóviles de lujo, para reducir el peso asegurando al mismo tiempo la resistencia. La composición de los laminados compuestos varía considerablemente, y los principales problemas en el procesamiento son la delaminación y el astillado. Por lo tanto, la herramienta debe estar afilada y necesita tener un buen diseño de eliminación de virutas.

Perforación en materiales compuestos

La realización de agujeros representa del 60 al 80% del procesamiento de materiales compuestos, incluyendo agujeros pasantes, agujeros escalonados, escariado, roscado, chaflanado, agujeros avellanados, entre otros. Similar al fresado, los principales problemas en el procesamiento de agujeros de materiales compuestos son el desgaste de la herramienta, la delaminación, el astillado, el deshilachado, y el diseño de la herramienta debe centrarse en estos problemas. Las herramientas de perforación indexables también son comunes. Sobre la base de la broca indexable tradicional, como la broca modular, la broca U, la broca de pala y la broca de pistola, los filos de corte se sueldan con PCD. Se selecciona la geometría apropiada, lo que puede mejorar considerablemente la vida útil de la herramienta, la eficiencia y la calidad de corte, y reducir el costo de mecanizado por agujero.

Popular broca para materiales compuestos

 Broca Devlar, Broca para aeronaves  Personalizado: Broca cónica, broca escalonada, avellanador con guía

Herramientas superduas: CVD y PCD

La adición de materiales de refuerzo a los materiales compuestos, incluyendo fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de Kevlar, SiC, etc., mejora significativamente la resistencia del material compuesto, pero también aumenta drásticamente la dificultad de procesamiento y acelera el desgaste de la herramienta. El uso de herramientas superduas ha resuelto en gran medida el problema del desgaste rápido de la herramienta. A través del método físico de alta temperatura y alta presión, las herramientas de carburo se sueldan con bordes de PCD. Esta es una tecnología comprobada y rentable. Por lo tanto, suele ser la primera opción para el procesamiento de compuestos. La tecnología de “crecimiento” de un recubrimiento de diamante puro en la superficie de herramientas de carburo sólido mediante deposición química en fase vapor (CVD) también está comprobada, y el costo es aceptable. El CVD es el recubrimiento sobre la herramienta ya rectificada, por lo que la forma de la herramienta CVD depende del rectificador CNC, lo que puede ser muy flexible. Esto es lo que no tiene la herramienta de PCD. Para diámetros y tamaños pequeños y herramientas con geometría compleja, el proceso CVD tiene ventajas obvias sobre el proceso de PCD.

Herramientas de corte recubiertas con CVD

La geometría de la herramienta recubierta con CVD puede ser muy compleja. El diámetro y el tamaño total pueden ser pequeños. La herramienta recubierta con diamante CVD tiene ventajas evidentes sobre el proceso de PCD.

Herramientas de corte de PCD

Las herramientas de corte de PCD están disponibles en dos tipos: monopieza e indexables. Soldar PCD en el filo de corte de las herramientas de corte es el método más económico. El borde de PCD se suelda en el borde de la herramienta integral para lograr la mayor precisión global. Debido a que un rectificador CNC se rectifica al tamaño después de la soldadura, la herramienta de PCD integral también puede hacer una herramienta con una geometría más compleja.