La mecanización de cerámicas de carburo de silicio

El carburo de silicio es uno de los materiales más duros y abrasivos. El carburo de silicio sinterizado es difícil de mecanizar. El proceso suele ser lento y costoso. Por lo tanto, la mayoría del carburo de silicio se utiliza para piezas con tolerancias relativamente bajas o geometrías simples. Sin embargo, si se seleccionan los métodos de mecanizado y las herramientas de corte apropiados, se pueden obtener piezas de carburo de silicio de precisión.

Introducción

Debido a su costo relativamente alto y el grado de dificultad para su mecanizado, la mayoría de las aplicaciones de carburo de silicio requieren componentes con tolerancias relativamente bajas o geometrías simples, pero los componentes de precisión son muy alcanzables con la estrategia de mecanizado adecuada.

El carburo de silicio, conocido por su excepcional dureza, se utiliza ampliamente como abrasivo en aplicaciones de corte y rectificado. Antes de la etapa final de sinterización, las piezas cerámicas de carburo de silicio pueden mecanizarse en sus estados “verdes” o “bizcocho” presinterizados utilizando métodos convencionales como fresado, taladrado y torneado. Sin embargo, una vez cocido, su naturaleza resistente al desgaste requiere técnicas de rectificado con diamante o lapeado, que son tanto laboriosas como costosas. En consecuencia, aunque la mayoría de las aplicaciones implican componentes con tolerancias bajas o geometrías simples, los componentes de precisión son alcanzables con la estrategia de mecanizado adecuada.

Aplicación de cerámicas de carburo de silicio
Las cerámicas de carburo de silicio son materiales de alta calidad con muchas características excelentes, como baja densidad, alta dureza, extrema resistencia al desgaste, fuerte conductividad térmica, resistencia a los ácidos, baja tasa de expansión térmica y buena resistencia a la corrosión. Por lo tanto, tienen una amplia gama de aplicaciones:

•Piezas de desgaste •Sellos mecánicos •Boquillas •Pistones •Rodamientos •Quemadores •Intercambiadores de calor •Mobiliario de hornos •Componentes de válvulas

Fabricación de cerámicas de carburo de silicio

El proceso de fabricación de carburo de silicio incluye los siguientes pasos:

  1. Preparación del polvo
  2. Amasado
  3. Formación de la forma
  4. Mecanizado por Control Numérico Computarizado (CNC)
  5. Sinterización
  6. Lapeado o rectificado


El carburo de silicio puede ser mecanizado en estados verde, bizcocho o completamente denso, mientras que la capacidad de mecanizado disminuye progresivamente. En la forma verde o bizcocho, puede ser mecanizado relativamente fácil en geometrías deseables.

Al cortar cerámica verde, la mayoría del desgaste de las herramientas es causado por la naturaleza abrasiva de las partículas cerámicas más que por la temperatura del material o la velocidad de corte. Esto pone énfasis en seleccionar la superficie de herramienta más resistente a la abrasión, como el diamante CVD.

En el proceso de sinterización, el carburo de silicio se encoge aproximadamente un 20%. Para controlar los tamaños finales dentro de las tolerancias, el material completamente sinterizado debe ser mecanizado/rectificado con herramientas de diamante precisas. Al igual que los óxidos y nitruros, el carburo de silicio es un material muy resistente al desgaste que requiere métodos de rectificado con diamante para su procesamiento una vez cocido. Este proceso suele ser laborioso y costoso.

Las cerámicas de carburo de silicio sinterizadas son muy duras y resistentes al desgaste, lo que impide su procesamiento con herramientas convencionales y requiere herramientas de diamante.

Diferencias entre Cerámicas Verdes (Cerámicas No Sinterizadas) y Cerámicas Sinterizadas

  1. Cerámicas Verdes: Estado No Sinterizado: Las cerámicas verdes se refieren a materiales cerámicos que no han sido sometidos a sinterización o que están parcialmente procesados. Esto significa que han sido conformadas, pero aún no han pasado por el proceso final de sinterización. Características: Las cerámicas verdes generalmente presentan menor resistencia mecánica y dureza en comparación con sus contrapartes completamente sinterizadas. Son relativamente frágiles y más fáciles de procesar y conformar. Procesamiento: El mecanizado de cerámicas verdes requiere herramientas y técnicas adecuadas para su estado más blando y menos denso.
  2. Cerámicas Ordinarias (Cerámicas Completamente Sinterizadas): Estado Sinterizado: Las cerámicas ordinarias, también conocidas como cerámicas completamente sinterizadas, han pasado por un proceso de sinterización completo donde las partículas de polvo cerámico se unen a altas temperaturas. Esto da como resultado una estructura densa y endurecida. Características: Las cerámicas completamente sinterizadas poseen alta resistencia mecánica, dureza y durabilidad, lo que las hace más resistentes al calor, al desgaste y a la corrosión química en comparación con las cerámicas verdes. Procesamiento: El mecanizado de cerámicas completamente sinterizadas requiere herramientas especializadas, como herramientas de corte recubiertas de diamante, debido a su extrema dureza y resistencia al desgaste.

Puntos Clave:

  • Cerámicas Verdes: Están en un estado más blando y no sinterizado, lo que las hace adecuadas para conformado y mecanizado antes de la sinterización.
  • Cerámicas Ordinarias (Completamente Sinterizadas): Poseen mayor dureza y resistencia, lo que las hace ideales para aplicaciones que requieren alto rendimiento mecánico y térmico.

La elección entre procesar cerámicas verdes o cerámicas ordinarias depende de las propiedades deseadas y la etapa de fabricación (pre-sinterización o post-sinterización).

The sintered ceramic (on the left) has a 20% reduction in volume compared to the unsintered ceramic (on the right).

Métodos de Mecanizado de Cerámica Verde y Puntos Clave:

Fresado de Extremo:

La profundidad de corte no debe exceder un tercio del diámetro de la herramienta. Aumentar la profundidad de corte a la mitad del diámetro de la herramienta puede causar astillado en la salida del corte.

Configuración de la herramienta: Utilice fresas de extremo con radio en la esquina (R) siempre que sea posible.

Para el mecanizado en bruto, utilice fresas de extremo de 2 flautas para una mejor evacuación de virutas. Para acabado y semiacabado, utilice fresas de extremo de 4 flautas para mejorar el acabado superficial y prolongar la vida útil de la herramienta.

Prevención de astillado: Antes de iniciar el corte, fresar una pequeña sección en el extremo de salida de la pieza para evitar astillado, similar al chaflanado del extremo de un cilindro torneado. Reducir la velocidad de avance también puede minimizar el astillado, pero afectará directamente la eficiencia de producción. Para el mecanizado de superficies, la interpolación helicoidal es más efectiva que la interpolación circular.

Velocidad de avance: Si la velocidad de avance es demasiado baja (menos de 0.002 mm/rev), la herramienta puede pulir la pieza en lugar de cortarla, lo que lleva a un desgaste rápido de la herramienta.

Parámetros iniciales para el fresado de extremo de cerámica verde

Diámetro de la fresa

in. (mm)

Velocidad de la máquina

rpm

Velocidad de corte

sfm (m/min)

Operación

Velocidad de avance

fpt (mm)

1/64

6,000 to

10,000

25 to 40

(8 to 12)

Acabado

.0002-.0005 (.005-.013)

1/32

(1.0)

6,000 to

10,000

50 to 80

(15 to 25)

Acabado

.0005-.001 (.013-.025)

1/16

(2.0)

6,000 to

10,000

100 to 160

(30 to 50)

General

Acabado

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

1/8

(3.0)

6,000 to

10,000

200 to 325

(60 to 100)

General

Acabado

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

3/16

(5.0)

4,000 to

10,000

200 to 500

(60 to 150)

General

Acabado

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

1/4

(6.0)

3,000 to

10,000

200 to 650

(60 to 200)

General

Acabado

.002-.004 (.050-.100)

.001-.002 (.025-.050)

5/16

(8.0)

2,500 to

10,000

200 to 800

(60 to 245)

General

Acabado

.002-.004 (.050-.100)

.001-.002 (.025-.050)

3/8

(10.0)

2,000 to

10,000

200 to 1000

(60 to 300)

General

Acabado

.003-.005 (.075-.130)

.001-.003 (.025-.075)

1/2

(12.0)

1,500 to

10,000

200 to 1300

(60 to 400)

General

Acabado

.003-.005 (.075-.130)

.001-.003 (.025-.075)

Perforación:

El mejor método es la perforación paso a paso, con cada paso de profundidad no excediendo una cuarta parte del diámetro de la broca.

Remoción de polvo: Se debe prestar especial atención a la eliminación del polvo de mecanizado del agujero durante la perforación. Una adecuada remoción del polvo permite mayores velocidades del husillo y reduce el desgaste de la broca.

Parámetros de mecanizado: La tabla a continuación muestra los parámetros iniciales de mecanizado para cerámicas verdes. Como en todas las aplicaciones, estas condiciones variarán dependiendo del grado de cerámica, la configuración y las prácticas de remoción de polvo.

Parámetros iniciales para la perforación de cerámica verde:

Diámetro de la broca

in. (mm)

Tamaño de la pasada

in. (mm)

Velocidad de corte

sfm (m/min)

Velocidad de avance

ipr (mm/rev)

1/32-3/16 (1.0-5.0)

1/128-3/64 (.25-1.25)

200 to 1,000 (60 to 300)

.001-.003 (.025-.075)

3/16-1/4 (5.0-6.0)

3/64-1/16 (1.25-1.5)

.002-.004 (.050-.100)

1/4-5/16 (6.0-8.0)

1/16-5/64 (1.5-2.0)

.002-.005 (.050-.130)

5/16-3/8 (8.0-10.0)

5/64-3/32 (2.0-2.5)

.002-.006 (.050-.150)

3/8-1/2 (10.0-12.0)

3/32-1/8 (2.5-3.0)

.002-.008 (.050-.200)

Mecanizado de Perfil:

La tabla a continuación proporciona los parámetros iniciales de mecanizado para fresas de extremo esférico, fresas de extremo planas y fresas de cono inverso:

Parámetros iniciales para el mecanizado de perfiles en cerámica verde

Diámetro de corte

in. (mm)

Velocidad de la máquina

rpm

Velocidad de corte

sfm (m/min)

Operación

Velocidad de avance

fpt (mm)

5/16 (7.94)

7,500 to

16,000

640 to 1,320

(195 to 400)

General

Acabado

.005-.008 (.130-.200)

.001-.004 (.025-.100)

3/8 (9.53)

6,500 to

13,500

General

.005-.008 (.130-.200)

.001-.004 (.025-.100)

1/2 (15.9)

4,900 to

10,000

Acabado

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

5/8 (15.9)

3,900 to

8,000

General

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

3/4 (19.1)

3,200 to

6,700

Acabado

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

1

(25.4)

2,400 to

5,000

General

.013-.020 (.330-.500)

.004-.012 (.100-.300)

1-1/4 (31.8)

2,000 to

4,000

Acabado

.013-.020 (.330-.500)

.004-.012 (.100-.300)

Tornería y Fresado con Insertos Intercambiables:

Configuración de la herramienta: Para torneado y fresado de grafito, los insertos con radios de punta de 1/64” a 1/32” son los más efectivos. Se prefiere un inserto con ángulo de ataque positivo y flanco rectificado para un mejor acabado.

Acabado superficial: El acabado superficial puede mejorarse seleccionando la geometría adecuada de la herramienta y la velocidad de avance. Un radio de esquina más grande mejorará el acabado superficial pero aumentará la resistencia de corte. Un radio de esquina más pequeño reduce la presión pero requiere una reducción en la velocidad de avance para lograr el mismo acabado superficial. La profundidad de corte (DOC) no afecta el acabado superficial a menos que la resistencia de corte cause vibración.

Astillas en la salida: Esto puede evitarse mecanizando un chaflán en el extremo de salida de la pieza. Evite utilizar herramientas de corte de hombro cuadrado. Se recomienda utilizar herramientas con radio o chaflán de 20 grados.

Torneado

Parámetros de mecanizado: Cuando se mecanizan barras largas y cilindros, se pueden usar velocidades más altas y cortes más profundos, especialmente para materiales de grafito de alta resistencia.

Profundidad de corte: Maximice la profundidad de corte para evitar la deformación de la pieza. Si ocurre deformación, ajuste la velocidad de avance y la profundidad de corte. Una menor velocidad de avance permitirá mantener una profundidad de corte más profunda. Para el mecanizado en bruto, se recomienda una velocidad de avance de 0.005 pulgadas por revolución, mientras que para el acabado, puede ser necesario un avance entre 0.001 y 0.003 pulgadas por revolución. Cortes más profundos siempre resultarán en una mayor resistencia de corte y virutas más grandes, lo que lleva a una superficie más áspera. La tabla a continuación muestra los parámetros iniciales de mecanizado para el torneado general y el torneado de acabado.

Parámetros iniciales para el torneado de cerámica verde

Operación

Velocidad de corte

sfm (m/min)

Velocidad de avance

ipr (mm/rev)

General

100-500

(30 to 150)

.002-.010

(.050-.250)

Acabado

Fresado

Configuración de la pieza: Cuando se fresan superficies o volúmenes grandes, se pueden emplear velocidades y profundidades de corte más altas. Utilice materiales cerámicos de mayor resistencia cuando se involucren paredes delgadas.

Profundidad de corte (DOC): Maximice la DOC cuando sea posible para reducir el número de pasadas. Las velocidades de avance más bajas permiten cortes más profundos. Para el desbaste, utilice una velocidad de avance de 0.004 pulgadas por diente por revolución, y para el acabado, puede ser necesario un avance entre 0.0005 y 0.002 pulgadas por diente por revolución.

Múltiples Fresas: Para fresas de fresado con múltiples cortadores, se recomienda usar alineación axial para alinear todos los insertos dentro de +/-0.0002 pulgadas para obtener los mejores resultados. Esto mejora el acabado superficial y reduce el desgaste de los insertos, ya que todos cortarán de manera uniforme.

Parámetros de Mecanizado: La tabla a continuación muestra los parámetros iniciales de mecanizado para el torneado de propósito general y torneado de acabado.

Parámetros iniciales para el fresado de cerámica verde

Operación

Velocidad de corte

sfm (m/min)

Velocidad de avance

ipr (mm/rev)

General

500-1,000

(150 to 300)

.002-.006

(.050-.150)

Acabado

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