El desafío y la promesa de las microherramientas

Es difícil fabricar una herramienta de corte de sólo un milímetro o menos de diámetro. También es un desafío utilizar una herramienta de este tipo. Pero cuando ambos lados de la ecuación lo hacen bien, los resultados son sorprendentes: características diminutas que no se pueden apreciar completamente sin un microscopio. Y las aplicaciones están creciendo.

Uwe Heinrich, gerente de desarrollo de nuevos negocios de Mastercut Tool Corp., Safety Harbor, Florida, observó que “las microherramientas desempeñan un papel muy importante en todas las industrias”. Además de ejemplos obvios como placas de circuito impreso y dispositivos e implantes médicos y dentales, Heinrich señaló la óptica, no tanto para cortar vidrio, sino para fabricar los pequeños moldes necesarios para producir piezas.

Oliver Rapp, gerente de I+D de Ceratizit Group, con sede en Balzheim, Alemania, dijo que los clientes de Ceratizit utilizan microherramientas principalmente en las industrias médica, de construcción de maquinaria y de joyería. Sherry DePerno, presidenta y directora ejecutiva de Advanced Tool Inc., con sede en Marcy, Nueva York, dijo que las boquillas de combustible y los sujetadores de seguridad para automoción y aeroespacial son una parte importante de su mercado de microherramientas.

Brent Broderick, gerente senior de cuentas estratégicas y especialista nacional en productos para herramientas redondas sólidas en ARCH Cutting Tools, Bloomfield Hills, Michigan, estuvo de acuerdo. Añadió que los sujetadores de Inconel y acero inoxidable en el sector aeroespacial son otro uso importante. Broderick también dijo que las fresas es el tipo de herramienta de más rápido crecimiento, ya que la microperforación ha "casi maximizado". Además, "cada vez más empresas están empezando a utilizar fresas escuadradoras como herramienta de perforación". Explicó que para características como un agujero pequeño con un avellanado, los avances en la tecnología de herramientas y máquinas herramienta hacen posible hundir e interpolar un agujero, combinado con el avellanado, utilizando una fresa especializada. Heinrich añadió que el fresado también puede producir un agujero más preciso que la perforación. El enhebrado es, por supuesto, otra operación clave para estas herramientas.

Este rápido estudio apunta a un desafío crítico para el fabricante de herramientas: cuál es la mejor manera de optimizar la geometría y el material de la herramienta para cada aplicación única, desde el titanio y el cromo molibdeno en implantes médicos hasta los Inconels en boquillas aeroespaciales.

Como explicó Heinrich, “una clave en el mecanizado es siempre comprender las características de mecanizado de un determinado material. Por ejemplo, el aluminio es bastante blando, por lo que debería ser bastante fácil. Pero las características de mecanizado significan que normalmente hay problemas como el filo acumulado, donde la viruta aterrizaría en una parte de la flauta y con el tiempo perdería el filo del filo”. Esto perjudica el acabado superficial de la pieza y provoca rápidamente la rotura de la herramienta.

Heinrich contrastó esto con el titanio, con su bajo módulo de elasticidad. “Hay mucha vibración y normalmente tres veces más calor porque el calor no se evacua en el chip. Por lo tanto, se necesita una microherramienta que sea extremadamente resistente, con una geometría que reduzca la vibración y un revestimiento que pueda proteger contra el calor excesivo”.

En resumen, Heinrich ve cuatro parámetros importantes en la creación de una microherramienta de alta calidad. Primero, necesita un diseño geométrico que se adapte a las características de mecanizado de la pieza de trabajo. En segundo lugar, se debe identificar el grado de carburo más adecuado. En tercer lugar, afile la herramienta con la mejor superficie posible. Y por último, “rematar con una capa adecuada”. Para un implante dental hecho con circonio, el mejor recubrimiento es "hacer crecer un cristal de carbono (es decir, diamante) sobre el sustrato de carburo con CVD", añadió. Una aplicación de corte de metales puede tener un recubrimiento PVD completamente diferente.

Aunque todos los actores importantes en este campo tienen productos estándar, la personalización se está volviendo común. Broderick ofreció el ejemplo de la necesidad de cortar una característica con una profundidad de 0,020" (0,5 mm). “Diseñaríamos una herramienta con una longitud de corte de 25 o 30 milésimas, en comparación con una herramienta estándar con, digamos, una longitud de corte de dos milímetros". cortar." Esto se debe a que, para un diámetro determinado, una herramienta con una longitud de corte mayor sería más débil, en igualdad de condiciones. Y las microherramientas son inherentemente "suaves y quebradizas", dijo Broderick. "Si puedes hacer que la herramienta sea específica para la aplicación, la mayoría de las veces se puede superar con creces el rendimiento de un producto estándar disponible en el mercado”.

DePerno estuvo de acuerdo. “La forma más rápida y sencilla de ahorrar dinero y aumentar el rendimiento es alterar y optimizar la geometría, el sustrato y el recubrimiento en función del desgaste de la herramienta de corte durante el uso. Un pequeño cambio en la geometría puede tener un impacto importante en el rendimiento”. Es por eso que Advanced Tool utiliza una “inspección de 21 puntos del desgaste y rotura del borde para mejorar la geometría de la herramienta de corte. Esto nos dice exactamente cómo un cliente utiliza la fresadora, qué cantidad de fresadora utiliza, qué funciona y qué no”.

Rob DePerno, director de operaciones y director de fabricación e ingeniería de Advanced Tool, explicó. Si, con un gran aumento, ven que el usuario está “destruyendo la esquina al entrar, podríamos poner un radio de esquina allí o reducir el ángulo de inclinación o el ángulo de hélice. Hay 21 pasos en el análisis y muchas más cosas que se pueden cambiar en una fresadora. Se trata simplemente de encontrar la fórmula correcta”. Eso también podría significar recomendar otros cambios en el proceso. “Si la herramienta no fue destruida, podemos ver desgaste y descentramiento. Y si hay suficiente, podemos medir si el descentramiento está en la propia herramienta o en el soporte. … Si veo un desgaste desigual y la herramienta parece concéntrica, les digo que trabajen en sus soportes o en su husillo antes de hacer cualquier otra cosa”.

Dicho esto, aunque DePernos dijo que su análisis de desgaste realiza mejoras predecibles basadas en mediciones específicas y sus años de experiencia, a menudo ofrecen al cliente hasta cuatro nuevas configuraciones para probar en la siguiente etapa. ¿Por qué? Porque es difícil estar seguro de qué funcionará mejor cuando hay tantos factores en juego. Y a medida que las herramientas se hacen más pequeñas, resulta cada vez más problemático aplicarles características geométricas especiales y medir su eficacia.

Los esfuerzos para amortiguar la vibración o mejorar el rendimiento han llevado a los fabricantes de herramientas a introducir características geométricas esotéricas como hélices variables, indexación desigual y relieve excéntrico en las herramientas de corte de tamaño estándar. Pero es cuestionable hasta qué punto estas características pueden y deben aplicarse a las microherramientas. Broderick dijo que la división KEO Micro Tool de ARCH fabrica fresas de mango de hasta 0,005" (0,1 mm) de diámetro con geometría estándar, y están "analizando algunos aspectos de las geometrías de alto rendimiento en ellas. A medida que avancemos, estaremos empezando a utilizar alta tecnología, como hélice variable e índice variable”.

Rob DePerno expresó escepticismo. Si bien Advanced Tool fabrica rutinariamente planos de fresas de mango de 0,015" (0,381 mm) con hélice e indexación variables, no recibe muchas solicitudes para analizar el desgaste de dichas herramientas. “Y”, reflexionó, “si estás haciendo una fresa de 15 Si tienes una herramienta [es decir, de 0,015"] con una longitud de corte de 35 mil, ¿cuánto puedes variar la hélice a lo largo de esa trayectoria?” Sin embargo, informó Sherry DePerno, los clientes están solicitando herramientas con tales características. “Obviamente están funcionando porque la gente los compra. Pero a veces nos preguntamos si una geometría estándar habría funcionado igual de bien. Realmente no ha sido probado”.

En cuanto a las herramientas más pequeñas, resulta físicamente difícil, si no imposible, agregar algunas de estas características, como explicó Ylli Hysenlika, directora de producción automatizada de Mastercut Tool Corp. Por ejemplo, observe el esfuerzo para crear un ángulo de inclinación agudo para cortar aluminio. “Cuanto más pequeño seas, más altos serán esos ángulos debido a la naturaleza del proceso de acanalado. Pero luego, a medida que se acerca al rango de 50 µm, resulta muy difícil aplicar muchas funciones en la herramienta. Las características más comunes para estos diámetros pequeños son una flauta con una inclinación grande y una cara final con solo el corte y tal vez un relieve final. Tienes muchas menos opciones a medida que accedes a microherramientas muy pequeñas”.

Quizás el factor más importante que permitió la creación de las herramientas más pequeñas de la actualidad fue la introducción de la rectificadora de herramientas Nano de Rollomatic. Hysenlika atribuye a la tecnología una mejora diez veces mayor en el acabado de la superficie. "Son totalmente hidrostáticos y cuentan con un cabezal de trabajo flotante", explicó. "Esto le permite utilizar un sistema de luneta de bloque en V perfecto, con una desviación inferior a 1 µm en la mayoría de los casos".

Por muy buenas que sean estas máquinas, Heinrich se apresuró a añadir que no se puede simplemente comprar una Nano, "conectarla y, de repente, convertirse en el campeón del mundo de las microherramientas". El rectificado es una combinación de comprensión de los granos de carburo y cómo se relacionan con las capacidades de la herramienta, junto con la mejor manera de rectificar cada tamaño de grano. Según Hysenlika, "hay que comprender las geometrías de las herramientas, los recubrimientos y cómo revestir y preparar la muela abrasiva".

Don Babinsky, en su función de aplicaciones técnicas en Mastercut Tool Corp., dijo que las consideraciones sobre el refrigerante y su filtración también influyen. "Vimos mejoras espectaculares en los acabados de rectificado al actualizar nuestro refrigerante". Heinrich añadió que mejorar el acabado de la superficie reduce las fuerzas de corte en la herramienta, lo que mejora el rendimiento y también contribuye a una mejor adhesión del recubrimiento.

El refrigerante también figura en el uso final de estas herramientas, con microherramientas de tan solo 0,8 mm de diámetro que a menudo cuentan con canales de refrigerante internos. Rapp dijo que las máquinas rectificadoras ahora se orientan mejor hacia estos orificios de refrigerante increíblemente pequeños mediante sensores ópticos. Y aunque está oculto a la amoladora, los fabricantes de piezas en bruto de carburo (entre los que se incluye Ceratizit) han aumentado el suministro de refrigerante incorporando una cámara más grande en el vástago de la herramienta (normalmente de 3 mm de diámetro), de la cual emergen los pequeños canales hacia el diámetro de corte, añadió. .

Heinrich concluyó que ya sea equipo de rectificado, control de calidad, recubrimiento o cualquier cosa que toque el proceso, los fabricantes de microherramientas deben invertir mucho y estar al tanto de cada detalle para seguir siendo competitivos. “Una vez que estás detrás de la curva, será muy difícil regresar o estarás literalmente fuera. Las personas que quieran tener éxito en este espacio deben tener disciplina y compromiso para un futuro a largo plazo. Porque es necesario estar activo y comprometido en todos los aspectos para tener éxito”, dijo.

Babinsky de Mastercut dijo que “el error más común que se comete al utilizar herramientas de diámetro pequeño, incluso de un diámetro relativamente grande de 1/8" [3,175 mm], es la simple falta de suficiente velocidad del husillo”. Si no corta con una superficie satisfactoria en metraje por minuto, "creará un problema con el filo acumulado y el arrastre del material de la pieza de trabajo. Los problemas de la mayoría de las personas desaparecerán drásticamente si pueden duplicar o triplicar sus revoluciones por minuto. "

Los números se vuelven dramáticos cuando se consideran los diámetros de las microherramientas. "A modo de ejemplo, una fresa de ranurar puede responder mejor a 200 pies cuadrados por minuto en un material determinado", explicó Babinsky, "y esa superficie es tan importante para una herramienta de 0,005" (0,127 mm) de diámetro como lo es para una herramienta de un cuarto de pulgada. Una fresa de un cuarto de pulgada se calcula a 3.056 rpm, mientras que una fresa de 0,005" se calcula a una friolera de 152.800 rpm. Esto ilustra el valor de las máquinas especializadas y/o las opciones de husillo especializadas que pueden otorgar 100.000 rpm o más para accionar adecuadamente una microherramienta”.

La segunda precaución más importante, dijo Babinsky, es “hay que comprobar el TIR e indicar el herramental desde el vástago, en lugar del filo. No querrás tocar un filo de carburo con un calibre o una punta de circonio si puedes evitarlo, y eso es especialmente cierto con una microherramienta”. Lo mejor sería un preajuste óptico, afirmó.

Quizás no hace falta decir que el portaherramientas debe ser lo más rígido posible con microherramientas, con un mínimo absoluto de descentramiento y desequilibrio. Según Babinsky, “los soportes térmicos retráctiles podrían ofrecer uno de los mejores enfoques. Además, la industria ahora está viendo la disponibilidad de mandriles hidráulicos con desviación de 3 µm y mandriles de pinza de 1 µm en la punta delantera. En perspectiva, un glóbulo rojo mide aproximadamente 10 µm”.

Broderick de ARCH dijo que la lubricación es vital con las microherramientas y que se prefiere la lubricación de cantidad mínima (MQL), que es una combinación de aire y refrigerante. El refrigerante de inundación es otra opción. Pero el refrigerante a alta presión sería desastroso, explicó. "Si tienes una fresa de cinco o diez mil y le aplicas refrigerante a alta presión, la vas a romper". Pero de la misma manera, si no tienes suficiente refrigerante o MQL, “no hace falta mucho para romper una microherramienta recortando chips”.

Broderick añadió que el refrigerante debe filtrarse bien para evitar la obstrucción de los canales de refrigerante. Rapp de Ceratizit sugirió que “el nivel de filtrado debería ser igual o inferior a 30 µm. Si es necesario, adapte sus valores de corte a la configuración del mecanizado para lograr una buena evacuación de viruta. Si hay agujeros pasantes, reduzca la velocidad de alimentación en un 50 por ciento antes de abandonar el componente para aumentar la estabilidad del proceso”.

Broderick aplaudió los avances de CAD/CAM que no sólo simulan una herramienta sino también una trayectoria. “Y puedes calcular la carga del chip. Y si conoce la geometría de la ranura, puede asegurarse de que la herramienta pueda soportar la profundidad de corte necesaria”. Babinsky sugirió que dicho software también podría usarse para permitir técnicas de fresado de alta eficiencia (HEM), pero enfatizó que "HEM enfatiza significativamente mayores rpm e incluso pasos radiales más ligeros, los cuales ya son un desafío con diámetros tan pequeños".

Broderick predijo que “los avances tecnológicos en máquinas herramienta, portaherramientas, sustratos, recubrimientos y piezas pequeñas que se mecanizan” contribuirán a la creciente demanda de microherramientas. Rapp dijo que "probablemente veremos que la profundidad de corte aumentará y los diámetros de corte disminuirán, lo que hace las cosas mucho más difíciles". Pero también dijo que existe “tecnología potencialmente nueva” que podría mejorar aún más la preparación de vanguardia. No reveló los detalles, pero dijo que su aplicación contribuiría a "un proceso de corte más estable" y una mayor vida útil de la herramienta. Babinsky cree que veremos "recubrimientos de nanocompuestos PVD más refinados, que no apuntan a velocidades de revoluciones más rápidas, sino a objetivos de longevidad de las herramientas".

Sherry DePerno, de Advanced Tool, prevé “geometrías cada vez más complejas en transición a una escala más pequeña. Ser creativo a la hora de resolver problemas es el nombre del juego. Esto incluye formas y geometrías complejas que resolverán cualquier desafío que puedan enfrentar nuestros clientes”.

En esa línea, Babinsky predijo que el “éxito espectacular en el mecanizado de cinco ejes y el uso de cortadores de segmento circular de cilindro cónico” eventualmente se trasladará a las microherramientas. “Uno no puede dejar de impresionarse con el aumento en las tasas de eliminación de metal con cortadoras de barril”, dijo. “Creo que la fresa estándar de punta esférica eventualmente necesitará soporte vital. Veo la introducción de cortadoras segmentarias de diámetro mucho más pequeño”.

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