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Mecanizado de materiales compuestos

El mecanizado en materiales compuestos es una de las operaciones más importantes puesto que su realización da origen a la obtención del conjunto o de la pieza diseñada. Este proceso de fabricación es el responsable de la consecución de la geometría final, así como de poner los medios necesarios para la unión de este conjunto con otros.

Los procesos de mecanizado de piezas fabricadas en materiales compuestos implican grandes distinciones respecto al mecanizado de materiales metálicos, como puede ser el acero. La configuración de este tipo de materiales obliga a replantear los procesos de mecanizado: métodos, herramientas, configuraciones, sistemas de refrigeración (taladrina), e incluso máquinas y utillajes(fijaciones…).

Consideraciones generales

El mecanizado de un material compuesto implica una serie de condicionamientos diferentes al mecanizado convencional. Se han de tener en cuenta las siguientes consideraciones:

  • Las temperaturas alcanzadas durante el proceso deben encontrarse dentro de un rango permitido dado por el material polimérico que compone la matriz.
  • La baja conductividad térmica de los materiales compuestos poliméricos hace que la disipación de la mayor parte de la energía calorífica generada durante el mecanizado sea disipada a través de la herramienta utilizada. La energía calorífica no disipada revierte en el aumento de la temperatura en el corte. Con respecto al uso de líquidos refrigerantes, cabe destacar que algunos materiales compuestos pueden ver modificadas sus propiedades mecánicas debido a la absorción de fluidos.
  • La diferencia existente entre los coeficientes de dilatación térmica entre las fibras y la matriz favorece la aparición de tensiones residuales, siendo éstas mayores cuanto mayor sea el gradiente de temperatura.
  • El desgaste del filo provocado por el corte de las fibras. Este desgaste es de tipo abrasivo.
  • El residuo que se genera debido al corte de las fibras es muy nocivo para la salud. Además, tiene un efecto muy negativo sobre el mantenimiento de la máquina herramienta.

El proceso de corte

El proceso de corte en un material compuesto de matriz polimérica (PMC) es muy diferente al de un metal. En un material compuesto se distinguen las fibras y la matriz. El filo de corte no genera las virutas típicas del mecanizado de un metal, sino que la resina polimérica es cortada y las fibras pueden ser cortadas o fracturadas. Por otro lado, los materiales compuestos, en particular aquellos reforzados con fibras largas, presentan una elevada anisotropía que depende de la orientación de las fibras. La fuerza de corte necesaria en el mecanizado depende fuertemente de la dirección y sentido del corte. Este efecto es muy notable también en el acabado del corte.

Soluciones para el mecanizado

Existen dos posibilidades para abordar el mecanizado de materiales compuestos poliméricos (PMC, Compuesto de Matriz Polimérica):

  • El empleo de filos de corte de geometría muy positiva y muy afilados (radio de punta pequeño).
  • Técnica del Mecanizado de Alta Velocidad (MAV).

Operaciones de mecanizado

La mayoría de las piezas de materiales compuestos se fabrican de forma que se alcance la forma final de la pieza sin necesidad de efectuar muchas operaciones de desbaste o acabado posteriormente. Las operaciones más habituales son:

Taladrado

Esta operación es muy importante en la fabricación de uniones mecánicas tanto en aeronáutica como en cualquier aplicación industrial de los materiales compuestos. Los problemas más habituales asociados a esta operación son:

  • Astillamiento (splintering). La resina es cortada, pero parte de las fibras no son cortadas apareciendo fibras en el agujero.
  • Delaminación (delamination). Separación de las láminas inferiores del taladrado debido a la fuerza de avance ejercida por la broca. Este fenómeno se minimiza reduciendo el avance de la herramienta durante la etapa final del taladrado.
  • Extracción. Consiste en la fragmentación de porciones de fibra o resina en las paredes del agujero taladrado.

La realización de agujeros en estructuras híbridas, por ejemplo, apilamientos de fibra de carbono con láminas metálicas (aluminio, titanio…) es muy frecuente en aplicaciones con materiales compuestos. Dos son los métodos empleados para el taladrado adecuado de estos paquetes de materiales:

  1. Taladrado intermitente. El taladro penetra en el material compuesto hasta alcanzar el material metálico, entonces se retira del agujero para retirar las virutas generadas y disipar el calor. A continuación, la broca vuelve a entrar en el agujero y taladra el material metálico hasta que completa el espesor del material. Los parámetros de corte (avance y velocidad de corte) para el taladrado del material compuesto y el metal son diferentes.
  2. Taladrado en un paso. Este procedimiento es más efectivo que el anterior; sin embargo, sólo es válido para apilamientos inferiores a 25 mm (con láminas de titanio) o 5 mm (con láminas de acero).

Recanteado o recortado

Con esta operación se consigue obtener la configuración geométrica final mediante la eliminación por corte de los excesos de material. El acabado superficial en esta operación es determinante para reducir o eliminar las operaciones posteriores. Una operación que se puede englobar en el recanteado es el rebarbado. La operación de rebarbado acusa especialmente la orientación de las fibras en el laminado sobre la fuerza de corte necesaria.

Mecanizado de superficies: planeado

El mecanizado de superficies es una operación característica de la industria aeronáutica. En los últimos años se han encontrado soluciones novedosas en las piezas de fibra de carbono.

Herramientas

Los tipos de herramientas utilizadas para el mecanizado de PMC son:

  1. Herramientas de acero rápido (HSS)
  2. Herramientas de metal duro (Widia)
  3. Herramientas de carburo o nitruros (carburo de silicio)
  4. Herramientas diamantadas (PCD)

PCD (diamante policristalino) es un compuesto de partículas de diamante sinterizadas junto con un aglutinante metálico. Este tipo de herramientas son las más resistentes a la abrasión.

El mecanizado con máquina herramienta

El mecanizado se hace mediante una máquina herramienta, manual, semiautomática o automática, pero el esfuerzo de mecanizado es realizado por un equipo mecánico, con los motores y mecanismos necesarios. Las máquinas herramientas de mecanizado clásicas son:

  • Taladro: La pieza es fijada sobre la mesa del taladro, la herramienta, llamada broca, realiza el movimiento de corte giratorio y de avance lineal, realizando el mecanizado de un agujero o taladro teoricamente del mismo diámetro que la broca y de la profundidad deseada.
  • Limadora: esta máquina herramienta realiza el mecanizado con una cuchilla montada sobre el porta herramientas del carnero, que realiza un movimiento lineal de corte, sobre una pieza fijada la mesa, que tiene el movimiento de avance perpendicular al movimiento de corte.
  • Mortajadora : máquina que arranca material linealmente del interior de un agujero. El movimiento de corte lo efectúa la herramienta y el de avance la mesa donde se monta la pieza a mecanizar.
  • Cepilladora: de mayor tamaño que la limadora, tiene una mesa deslizante sobre la que se fija la pieza y que realiza el movimiento de corte deslizándose longitudinalmente, la cuchilla montada sobre un puente sobre la mesa se desplaza transversalmente en el movimiento de avance.
  • Brochadora : Máquina en la que el movimiento de corte lo realiza una herramienta brocha de múltiples filos progresivos que van arrancando material de la pieza con un movimiento lineal.
  • Torno: el torno es la máquina herramienta de mecanizado más difundida, éstas son en la industria las de uso más general, la pieza se fija en el plato del torno, que realiza el movimiento de corte girando sobre su eje, la cuchilla realiza el movimiento de avance eliminando el material en los sitios precisos.
  • Fresadora: en la fresadora el movimiento de corte lo tiene la herramienta; que se denomina fresa, girando sobre su eje, el movimiento de avance lo tiene la pieza, fijada sobre la mesa de la fresadora que realiza este movimiento. Es junto al torno la máquina herramienta más universal y versátil.

¿Qué es el mecanizado?

El mecanizado es un proceso de fabricación que comprende un conjunto de operaciones de conformación de piezas mediante la eliminación de material, ya sea por arranque de viruta o por abrasión. También en algunas zonas de Sur América es utilizado el término maquinado aunque debido al doble sentido que puede tener este término (urdir o tramar algo) convendría usar el primero.

Se realiza a partir de productos semielaborados como lingotes, tochos u otras piezas previamente conformadas por otros procesos como moldeo o forja. Los productos obtenidos pueden ser finales o semielaborados que requieran operaciones posteriores.

Mecanizado por arranque de viruta

El material es arrancado o cortado con una herramienta dando lugar a un desperdicio o viruta. La herramienta consta, generalmente, de uno o varios filos o cuchillas que separan la viruta de la pieza en cada pasada. En el mecanizado por arranque de viruta se dan procesos de desbaste (eliminación de mucho material con poca precisión; proceso intermedio) y de acabado (eliminación de poco material con mucha precisión; proceso final cuyo objetivo es el de dar el acabado superficial que se requiera a las distintas superficies de la piza). Sin embargo, tiene una limitación física: no se puede eliminar todo el material que se quiera porque llega un momento en que el esfuerzo para apretar la herramienta contra la pieza es tan liviano que la herramienta no penetra y no se llega a extraer viruta.

Movimientos de corte

En el proceso de mecanizado por arranque de material intervienen tres movimientos:

  • Movimiento principal: es el responsable de la eliminación del material.
  • Movimiento de avance: es el responsable del arranque continuo del material, marcando la trayectoria que debe seguir la herramienta en tal fin.
  • Movimiento de penetración: suele ser un movimiento previo al inicio del proceso que posiciona la pieza y la herramienta, siendo responsable de la cantidad de material eliminado.

Cada uno de estos dos movimientos lo puede tener la pieza o la herramienta según el tipo de mecanizado.