La próxima generación en Herramientas Giratorias de Mitsubishi Materials Corp.

En la fabricación de aeronaves, se utilizan cada vez de manera más frecuente materiales de difícil corte. Desafortunadamente, estos materiales de difícil corte reducen significativamente la vida útil de las herramientas.

En respuesta a las demandas del mercado por métodos de mecanizado más innovadores que mejoren drásticamente la durabilidad de las herramientas de corte durante su aplicación en este tipo de materiales, MITSUBISHI MATERIALS se focalizó en el desarrollo de la próxima generación de herramientas de corte giratorias.

En este artículo, nos concentraremos en dos de éstas, herramientas de corte giratorias empleadas en máquinas multi-tareas y herramientas de corte giratorias pasivas utilizadas en centros de mecanizado convencionales.

PROJECTO 1: Hacer que la herramienta gire

Desarrollo de una herramienta de corte giratoria pasiva aplicando las ventajas de las máquinas multi-tareas.

Fue hace 20 años atrás que MITSUBISHI MATERIALS desarrolló por primera vez herramientas de corte giratorias para tornos que rotaban los insertos durante el mecanizado. En ese entonces, se aplicó un mecanismo innovador que impulsaba el giro utilizando la resistencia al corte. Esto redujo significativamente el desgaste del filo, lo cual era el principal causante de una durabilidad pobre en las herramientas durante el mecanizado en materiales de difícil corte.
Mientras que la primera generación de herramientas de corte giratorias fue muy bien recibida, su complicado mecanismo limitaba la rigidez; y era costosas en comparación con los porta-herramientas estándar. Algunos clientes continuaron utilizándolas, pero la demanda gradualmente disminuyó.

Sin embargo, durante ese tiempo, nuevas herramientas de corte giratorias estaban en desarrollo. Este nuevo desarrollo se aprovechó de los conocimientos acumulados por la primera experiencia de la empresa con estas herramientas. En el diseño del nuevo mecanismo de rotación, la apariencia de las máquinas multi-tareas ofreció una gran ayuda. Las primeras herramientas giraban los insertos utilizando la resistencia generada durante el proceso de corte, el cual, dependiendo de las condiciones de corte, causaba variaciones en la fuerza de rotación y dificultó lograr un desempeño estable. Se pensó que si se podía generar una fuerza de giro estable y predeterminada, independiente de las condiciones de corte, se podría desarrollar un nuevo tipo de herramienta giratoria. Fue hace 10 años que se comenzó a pensar sobre la posibilidad de nuevas herramientas de corte giratorias.

Durante esa época, se realizó un estudio sobre herramientas de corte giratorias por el Profesor Sasahara de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio. Se inició un período de consulta; y luego, tres años después, comenzó el proceso de investigación y desarrollo a gran escala. Aplicando máquinas multi-tareas se pudo descubrir el control voluntario de las herramientas giratorias, lo que dio lugar al desarrollo de las nuevas herramientas de corte giratorias.
Las máquinas multi-tareas no sólo permitían el control de la herramienta giratoria, sino que también permitió setear libremente los ángulos de contacto. Ésto dio lugar a la búsqueda de la mejor combinación de condiciones de corte y ángulos de contacto de la herramienta.

Además de la frecuencia rotacional (velocidad de giro de las herramientas), es importante identificar el mejor ángulo de contacto. El espesor de la viruta, que tiene una influencia significativa en el vida útil de la herramienta y dirección de despeje, varía dependiendo de condiciones básicas como velocidad, avance y corte.
Además de estas consideraciones, el nuevo diseño empleaba diferentes ángulos de inclinación, lo que dificultó descubrir la mejor combinación en condiciones de corte. Para solucionar ésto, el Profesor Sasahara contribuyó aplicando un punto de vista teórico para investigar las mejores condiciones.

Mientras tanto, el mayor desafío en el desarrollo de las formas de las herramientas es minimizar el descentrado al fijar el inserto a la herramienta. Un descentrado considerable causa una rotación excéntrica en el eje de la herramienta, causando cambios en la resistencia al corte, generando astillamiento y daños en el inserto.
Luego de varios ensayos, fue posible reducir el grado de concentricidad entre el inserto y la herramienta de corte a 0.01mm o menos.
Otra característica importante de la nueva herramienta de corte es la refrigeración interna. La herramienta fue diseñada para aplica refrigerante desde el espacio entre el agujero de inserción y tornillo de fijación. Este mecanismo tiene a reducir la fuerza de sujeción cuando el inserto es instalado en la herramienta de corte; sin embargo, este diseño único mantiene la fuerza de sujeción necesaria. La herramienta en sí gira constantemente, lo que dispersa uniformemente el calor generado durante el corte sobre la circunferencia completa de la herramienta. Al proveer el refrigerante desde el interior de la herramienta, es posible refrigerar efectivamente el inserto y despejar de manera fluida a las virutas.

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Alcanzar una vida útil aproximadamente diez veces superior a los insertos estándar para herramientas de corte convencionales

Las recientemente desarrolladas herramientas de corte giratorias ofrecen las siguientes características:

  1. El uso de la circunferencia completa del inserto dispersa de manera uniforme la abrasión en la herramienta, prolongando su vida útil.
  2. La rotación estable de la herramienta dispersa efectivamente el calor; y su diseño de refrigeración interna reduce significativamente la abrasión en el inserto.
  3. Su mecanismo de sujeción original de alta precisión y rigidez permite un mecanizado estable y de alto desempeño.

Estas características han prolongado drásticamente la vida útil de la herramienta durante el mecanizado en Inconel718 a comparación con las herramientas estándar. Además, las herramientas de corte giratorias son aplicables no sólo en materiales de difícil corte como aleaciones con tratamiento térmico, sino también en el mecanizado de materiales compuestos como aluminio e hierro. Éstas son especialmente efectivas en reducir significativamente costos de operación al prolongar la vida útil del inserto durante operaciones de mecanizado numerosas con personal reducido.

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¿Fue posible solucionar los problemas que surgieron durante el desarrollo de las primeras herramientas de corte giratorias?

Al observar el valor de compresión general de las virutas (CR), se pensó que aproximadamente un tercio de la velocidad de mecanizado, que es equivalente a la velocidad de despeje de la viruta, sería ideal como velocidad de rotación de los insertos para reducir el desgaste de flanco, problema común durante el mecanizado en materiales de difícil corte. Las primeras herramientas de corte giratorias eran movidas por la resistencia al corte, lo que no permitía un control de la velocidad de giro. Por ello, no se realizó una examinación detallada de esta hipótesis en aquél entonces.

Las nuevas herramientas de corte giratorias tienen varios parámetros, lo que dificulta identificar las condiciones de corte óptimas. Aunque las condiciones recomendadas se han identificado para uso general, es muy interesante saber que la velocidad de giro óptima de la herramienta contra la velocidad de mecanizado de la pieza de trabajo es ahora un tercio de la velocidad asumida en aquellas primeras herramientas. Actualmente MITSUBISHI MATERIALS continua el desarrollo de estas herramientas para un próximo lanzamiento al mercado.

PROJECTO 2: Fresa giratoria pasiva con inserto que rota por sí mismo durante el mecanizado

Calculando la fuerza rotacional teórica del inserto

La nueva fresa giratoria pasiva fue desarrollada como una herramienta de fresado utilizando el conocimiento obtenido con la primera herramienta de este tipo.

Desde el lanzamiento de la primera herramienta giratoria, MITSUBISHI MATERIALS ha aplicado un mecanismo que gira el inserto con la resistencia al corte de las herramientas de fresado. Sin embargo, fue muy difícil instalar el mecanismo giratorio de la primera herramienta de este tipo en una fresa debido a su tamaño, pareciendo una meta casi imposible.
Sin embargo, el avance de materiales de difícil corte en un amplio rango de industrias requirió un mayor perfeccionamiento en la eficiencia del mecanizado así como también un incremento en la vida útil. Hace 10 años, al notar el potencial de los insertos que giran durante el fresado, MITSUBISHI MATERIALS comenzó el desarrollo de herramienta giratorias con la Universidad de Nagoya y MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, Ltd.

El primer reto fue identificar el ángulo ideal para la rotación del inserto utilizando la resistencia al corte y asegurar una fuerza de rotación óptima. Si la resistencia al corte es muy baja, no generará suficiente empuje para girar el inserto. Si es demasiado elevada, causa astillamiento durante el mecanizado y produce daños en la herramienta e inserto. Necesitamos identificar el ángulo que generaría suficiente resistencia al corte para rotar el inserto de manera confiable para permitir un rango más amplio de condiciones de corte.

La Universidad de Nagoya superó este difícil desafío. Aplicando fórmulas complejas, los ingenieros identificaron exitosamente el ángulo óptimo para la ubicación del inserto para una rotación efectiva. Comparado con el método de prueba y error empleado en el desarrollo de la primera herramienta de corte giratoria, siendo capaces de calcular los valores óptimos teóricos, reduciendo significativamente el tiempo necesario para el desarrollo.

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Mecanismo de la fuerza de acción para la rotación del inserto

→ Fuerza componente hacia el radio del inserto
→ Fuerza componente hacia la tangente de la circunferencia del inserto → Fuerza de conducción
→ Fuerza componente hacia el espesor del inserto

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Mecanizado La primera heramienta de corte giratoria

 

Vida útil incrementada en 8 a 10 veces que las herramientas existentes de MITSUBISHI MATERIALS

El siguiente desafío fue instalar el inserto en un espacio extremadamente estrecho, un reto particularmente complicado. Fue necesario diseñar un mecanismo giratorio que pueda ser instalado en tal espacio. Esto requirió la optimización del agujero de despeje del inserto y tornillo de fijación para permitir un giro más fluido durante el mecanizado. Si el despeje es muy pequeño, se atorará; demasiado largo, causará astillamiento. Además, para lograr una rigidez suficiente es importante tener un tornillo de fijación de un grosor óptimo para el tamaño del inserto. Luego de reiteradas examinaciones y análisis, varios prototipos y numerosas experimentaciones, un resorte sobre el tornillo de fijación fue exitosamente instalado, lo que posibilitó desarrollar un mecanismo giratorio que tenía tanto el despeje ideal como la fuerza requerida.

Justo cuando el final del desarrollo estaba siendo alcanzado, otro desafío debía ser superado. El piso del inserto tomó contacto con la placa de apoyo de carburo sobre el cuerpo de la herramienta durante la rotación, lo que causó desgaste desigual. La rotación del inserto podía nivelar el desgaste de la fresa; pero la placa de carburo cementado que recibía la resistencia al corte soportaba una carga irregular, además de que la carga bajo la fresa era intensa. Porque el inserto y placa de apoyo eran ambos de carburo cementado, el contacto y rotación continuos bajo una carga local definitivamente crearía desgaste desigual. Para solucionar este problema, se instaló una placa movible de metal entre el inserto y la placa de carburo cementado como amortiguador.

El mayor mérito de las herramientas giratorias es el mecanizado de tiempo prolongado sin supervisión que no requiere cambio de filo; y tal como el gráfico muestra, fuimos capaces de lograr una durabilidad de 8 a 10 veces superior a la de nuestras fresas actuales.
Esta fresa giratoria pasiva está prevista a ser lanzada al mercado próximamente. Se planea expandir el éxito de este desarrollo en fresas, fresas de planeado y torneado. Junto con la expansión de tamaños disponibles de insertos, también se planea desarrollar una fresa para corte en rampa.

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Mecanismo de herramientas de corte giratorias
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Fuente: YOUR GLOBAL CRAFTSMAN STUDIO / MITSUBISHI MATERIALS CORP.