Con tantas piezas aeroespaciales, ¿cómo garantizar la eficiencia del mecanizado?

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Publicado el 11 de mayo de 2020 | Por Sendot Technology

La cúspide del pensamiento y la ingeniería humanos está reservada, con toda justicia, a las gigantescas máquinas voladoras. Los cohetes, los aviones y los reactores son increíblemente difíciles de diseñar y aún más difíciles de producir. Esa es la razón por la que solo hay 8 grandes empresas en el mundo que fabrican aviones comerciales en volúmenes considerables. Una aeronave, sea espacial o simplemente voladora, tiene más de 500 000 piezas, gran parte de las cuales deben ser extremadamente precisas y duraderas. Garantizar que estas piezas tengan la mejor calidad y costo es un objetivo vital del mecanizado aeroespacial industrial.

Problemas con la producción de piezas aeroespaciales

El mecanizado de precisión aeroespacial tiene muchos problemas. En primer lugar, la multitud de piezas aeroespaciales está fabricada con una enorme variedad de materiales. Los elementos del motor, que son los más cruciales en el funcionamiento de la aeronave, están hechos de aleaciones endurecidas resistentes al calor que son extremadamente difíciles de mecanizar. Esas aleaciones conducen mal el calor y, por lo tanto, el calor durante el procesamiento se acumula en la herramienta. Las aleaciones de níquel suelen estar envejecidas o tratadas térmicamente de algún otro modo, por lo que son muy difíciles de mecanizar. La precisión de las piezas aeroespaciales es mucho más estricta en comparación con otras industrias, mientras que las geometrías de las piezas son mucho más complejas.

Aparte de los problemas directos de mecanizado, hay muchos problemas indirectos. Uno de ellos incluye los estándares de producción. Junto con la industria médica, la producción aeroespacial es una de las más reguladas del mundo y cumplir con todos los requisitos de calidad es difícil.

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Mecanizar piezas aeroespaciales de paredes delgadas de forma eficiente

El peso es extremadamente crucial para los vehículos aeroespaciales. Cuanto más ligero sea el diseño, menos combustible consumirá, por lo que los ingenieros aeroespaciales a menudo diseñan piezas con paredes delgadas, celosías, nervaduras, etc. Convencionalmente, se mecanizan a partir de un bloque de metal fundido o estampado sólido y el material de desecho de tales piezas es del 95 %. Sin embargo, la baja eficiencia del material no es el único problema. El verdadero problema al mecanizar tales piezas es la deformación debida a las altas fuerzas de corte.  Si aumenta demasiado el avance y la profundidad de corte, especialmente con aleaciones de níquel, corre el riesgo de romper las paredes por la vibración o deformarlas por el exceso de calor. El resultado suele ser que se corta una viruta diminuta a un avance lentísimo y el tiempo total de mecanizado es imposiblemente grande.

¿Qué se puede hacer para disminuir el tiempo de mecanizado y mecanizar de forma competitiva piezas aeroespaciales de paredes delgadas? Lo primero que hay que hacer es disminuir la vibración. La herramienta que vibra golpea una pared delgada y esta se dobla o se agrieta. Por lo tanto, para disminuir la vibración, es mejor reducir el avance pero aumentar el número de filos de corte en una fresa (o incluso usar varias herramientas de corte en un torno). La estrategia de corte óptima para el fresado de piezas aeroespaciales de paredes delgadas es el fresado en concordancia. Esta estrategia utiliza un avance que va en la dirección opuesta a la estrategia de fresado convencional. Esto conduce a una menor fuerza de corte, un mejor acabado superficial y, lo más importante, la fresa entra en el material donde la pared es más gruesa, por lo que la vibración es mucho menor. Para contrarrestar el sobrecalentamiento, es necesario utilizar refrigerantes progresivos de alta presión.

Trayectorias de mecanizado trocoidal para reducir el sobrecalentamiento en aleaciones aeroespaciales

El sobrecalentamiento de la pieza debido a la mala conducción del calor es un problema típico de las piezas aeroespaciales. Una estrategia de mecanizado para reducir la acumulación de calor se denomina fresado trocoidal. Aprovecha en gran medida las capacidades de las máquinas CNC para seguir trayectorias de corte complejas. La estrategia trocoidal utiliza una fresa pequeña (más pequeña que el corte de todos modos) que sigue una trayectoria similar a la proyección lateral de un muelle sobre una superficie plana. En una curva, la fresa corta; luego retrocede durante la segunda curva y después vuelve a cortar el metal. Esta estrategia fracciona el tiempo de contacto entre la herramienta y la pieza de modo que hay un momento para que ambas se enfríen eficientemente mediante los fluidos de corte. El torneado trocoidal es similar al fresado, utilizando secuencias cortas de corte y pausa para dejar que los refrigerantes hagan su trabajo y evitar el sobrecalentamiento. Tal estrategia tiene muchos más recorridos en vacío de la herramienta en comparación con otras estrategias, pero contrarresta este efecto aumentando las velocidades y avances de corte. En Sendot Technology, también podemos ofrecer mecanizado por EDM, que quizás pueda evitar el mecanizado de piezas.

Elegir las herramientas adecuadas para un mecanizado rápido

Cuando se piensa en las máquinas herramienta, las máquinas CNC juegan un gran papel y son ampliamente aplicables al mecanizado de aluminio. Una de las formas más importantes de aumentar la eficiencia del mecanizado es elegir la herramienta de corte correcta. Las aleaciones más blandas están bien analizadas y muchos fabricantes ofrecen soluciones para el aluminio y otras aleaciones. Sin embargo, muchos materiales aeroespaciales están clasificados y, por lo tanto, la elección debe hacerse sobre la marcha.

Los trucos para una elección eficiente de la herramienta para materiales resistentes al calor deben contrarrestar las propiedades negativas de los materiales. Así, una herramienta perfecta debe tener poca vibración, debe ser muy dura y debe soportar altas temperaturas para tener una vida útil constante y trabajar a avances eficientes. Un ejemplo perfecto de una herramienta utilizada para tales fines es la herramienta de corte de diamante. Los diamantes artificiales son más duros y duraderos que las plaquitas de metal duro y pueden trabajar a temperaturas más altas. El mecanizado con diamante tiene sus particularidades, pero sin duda puede modificarse para adaptarse a las necesidades de los fabricantes aeroespaciales. Además de las herramientas de diamante, las herramientas de cerámica también demuestran un gran rendimiento porque pueden trabajar a las temperaturas más altas.

Para disminuir las vibraciones de las piezas procesadas, es importante utilizar fresas con más filos de corte y un ángulo de hélice más pronunciado. Tales fresas minimizan el tiempo y la distancia que recorre la herramienta antes de que el siguiente filo de corte golpee el material, disminuyendo así la vibración y, con ello, se pueden aumentar los parámetros de corte para una mayor eficiencia.

Sistemas que garantizan la calidad del mecanizado

Antes de usar cualquier estrategia y comenzar el procesamiento, es importante estimar si la calidad de la pieza puede lograrse en el tiempo deseado. ¿Cómo podemos predecir la tolerancia final, el acabado superficial y el tiempo de mecanizado antes de realizarlo? No era posible hace poco tiempo, pero ahora sí lo es debido a la asombrosa velocidad a la que se desarrollan las técnicas de modelado matemático. El análisis de elementos finitos ha alcanzado un nivel en el que se pueden simular los procesos de corte con buena precisión. Así, puede subir su modelo y ver las fuerzas de corte reales y la disipación de calor y cómo influirá en la pieza final. Puede ver las tensiones residuales, las deformaciones, etc., incluso antes de instalar una pieza en bruto en la máquina herramienta CNC. Esta tecnología ofrece grandes ventajas para predecir el resultado del mecanizado y disminuye el tiempo destinado a repeticiones.

¿Cómo puede ayudarle Sendot Technology?

Aquí, hemos invertido fuertemente en tecnología avanzada de mecanizado CNC y máquinas multieje que nos permiten procesar de forma fácil y rápida tiradas de prueba, series cortas personalizadas o series de producción de bajo volumen. Podemos satisfacer sus necesidades de piezas mecanizadas cuando suba archivos CAD hoy para obtener una cotización gratuita.