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Jun 28, 2023

Maximizar el MRR con herramientas para alta

Las herramientas de corte avanzadas pueden maximizar las tasas de eliminación de metal (MRR) al mecanizar incluso los materiales más difíciles de mecanizar. Impulsadas por los últimos programas CAM, estas estrategias de mecanizado son conocidas

Las herramientas de corte avanzadas pueden maximizar las tasas de eliminación de metal (MRR) al mecanizar incluso los materiales más difíciles de mecanizar. Impulsadas por los últimos programas CAM, estas estrategias de mecanizado se conocen como desbaste optimizado de alta velocidad, alta eficiencia y también por marcas patentadas como Mastercam's Dynamic Milling. Herramientas como las de carburo sólido de múltiples filos se benefician de las últimas tecnologías avanzadas en anticipación de máquinas, husillos de alta velocidad, recubrimientos y geometrías.

Así es como los principales fabricantes de herramientas están ayudando a los clientes a utilizar estas herramientas en el mecanizado de titanio, aleaciones a base de níquel, superaleaciones, Inconel y acero inoxidable.

Quitar metal es importante, y hacerlo lo suficientemente rápido para ganar dinero es más importante. Para aprovechar las últimas estrategias de mecanizado para fresar materiales difíciles de mecanizar, Iscar Metals Inc., Arlington, Texas, continúa ampliando sus líneas de fresas de ranurar de carburo sólido de múltiples canales, según Bryan Stusak, gerente nacional de productos. -molienda. Iscar ha diseñado fresas de mango de carburo sólido específicamente para estrategias de fresado, incluido el fresado de alta velocidad, el fresado de alta eficiencia, el desbaste optimizado y estrategias CAM patentadas como el fresado dinámico de Mastercam.

"Esas cuatro estrategias son esencialmente iguales", dijo Stusak. “Hemos desarrollado herramientas de múltiples flautas, y específicamente una herramienta de siete flautas con tecnología de división de viruta para permitir anchos de corte muy ligeros dependiendo de la longitud de la flauta en la fresa. Estas estrategias gestionan activamente los cuatro atributos de los sistemas CAM, incluido el ancho radial de corte, el arco de contacto, el espesor de la viruta y la velocidad de avance, para optimizar el rendimiento”, dijo.

La tecnología de división de virutas reduce la presión radial de la herramienta que se encuentra con largos cortes y ayuda a dividir las virutas, produciendo virutas más manejables para que el operador o el recipiente de virutas o el transportador las retiren, explicó Stusak. "La clave para mecanizar materiales difíciles de mecanizar es el acoplamiento radial", dijo. "Hay que minimizar el ancho del corte o el arco de contacto para combatir el calor". Al minimizar el ancho de corte, no se transfiere tanto calor a la herramienta debido al tiempo limitado de corte en la fresa.

Hay otras ventajas. "Al minimizar el ancho del corte, se pueden elevar los metros de superficie en la mayoría de las aleaciones, con la excepción de las aleaciones a base de níquel", dijo Stusak. "No se puede aumentar tanto la velocidad de corte porque es imposible eliminar el calor en el corte, pero para Ti6Al4V tenemos estudios de casos en los que hemos mecanizado hasta 400 sfm con un compromiso radial del 4 por ciento con estas herramientas".

Comprender la composición de estos materiales es clave para comprender las limitaciones de la velocidad de corte. "La dureza de la pieza de trabajo y la composición del material influyen enormemente en la maquinabilidad", explicó. “Las superaleaciones a base de níquel, cobalto y ferroso tienen ciertos elementos de aleación que no permiten elevar el sfm porque no se puede eliminar el calor en el corte sin importar lo que se haga con el ancho del corte o Velocidad cortante. [Las velocidades de corte] deben permanecer entre 80 y 110 pies cuadrados, dependiendo de la dureza del material”.

La situación es diferente con el acero inoxidable PH, algunos aceros inoxidables dúplex y las aleaciones de titanio, donde se puede aumentar la velocidad para obtener más productividad de la herramienta. “Los aceros inoxidables dúplex que tienen mucho contenido de níquel y cromo se parecen más a los materiales Inconel debido al alto contenido de níquel. Por lo tanto, al mecanizar aleaciones de alta temperatura es esencial comprender los elementos de aleación que contienen”, dijo.

Stusak enfatizó los beneficios de estas estrategias de mecanizado al explicar que el principio básico del corte de metales es formar una viruta adecuadamente en relación con la geometría del borde, de modo que se corte el material, no se ara. Tanto el desbaste como el acabado se benefician de estrategias de mecanizado optimizadas, pero especialmente del desbaste, donde el tiempo de mecanizado se puede reducir considerablemente.

"El acabado generalmente se realiza con una fresa de extremo de hélice de 45° para materiales endurecidos de hasta 65 HRC porque el ángulo de hélice más alto corta el material de manera más efectiva", dijo. “Las fresas con un ángulo de hélice de 60° se utilizan en materiales no ferrosos como el aluminio e incluso en aleaciones con alto contenido de níquel en aplicaciones de acabado. En general, una fresa de paso variable con un ángulo de hélice de 35 a 38o es la más común que vemos en la industria porque tiene un buen equilibrio entre la resistencia del borde y el diámetro del núcleo, y es un poco más afilada en el corte donde corta el material de manera más efectiva que una fresa de extremo con hélice de 30°”.

Las familias de fresas de mango para fresado de alta velocidad de Iscar incluyen las siguientes:

La fresa de ranurar de múltiples flautas (siete flautas) ECP-H7-CF tiene un sustrato duro, grado de carburo ultrafino IC902 con 9 por ciento de cobalto y está recubierta de TiAlN PVD. Según Iscar, es adecuado para mecanizar diversos materiales, incluidos acero duro y hierro fundido, a altas velocidades de corte.

La fresa de extremo ECY-S5 con cinco flautas cuenta con un sustrato de uso general y un recubrimiento de AlTiCrSiN (IC608) para fresado de escuadra o ranura completa de alta velocidad o fresado trocoidal o de pelado. Su aplicación principal es el acero inoxidable, pero también se puede utilizar para mecanizar aleaciones de alta temperatura a base de níquel.

La fresa de extremo ECI-H4S-CFE tiene un diseño corto de cuatro flautas con diferentes hélices (35° y 37°) y paso variable para amortiguar la vibración. Se puede utilizar para desbaste y acabado con MRR elevado, con fresado de ranura completa de hasta 1×D. También está disponible con el nuevo recubrimiento AlTiCrSiN IC608 para mecanizado a temperaturas elevadas.

La fresa de cuatro canales ECKI-H4R-CF presenta radios de esquina para aplicaciones aeroespaciales y cualquiera de dos recubrimientos, IC300 TiCN o IC900 AlTiN. Ofrece paso variable y hélice variable y una preparación de borde especial para mecanizar titanio.

Dado que sus clientes utilizan con mayor frecuencia aleaciones a base de níquel resistentes a altas temperaturas, Seco Tools LLC, Troy, Michigan, se centra en maximizar las tasas de eliminación de metal utilizando estrategias de desbaste optimizadas de alta velocidad y alta eficiencia, según Jay Ball, gerente de productos de carburo sólido.

“El procesamiento de estos materiales con procesos de mecanizado convencionales tiende a endurecerlos”, explicó. “Al utilizar fresado de alta eficiencia y desbaste optimizado, se genera mucho menos calor porque se realizan pasos radiales y profundidades de corte (DOC) más livianos, pero no se aplica mucho calor a la pieza de trabajo”, dijo. "Donde la típica fresa de carburo sólido utilizada para desbaste y acabado normalmente tenía cuatro y cinco canales, ahora que el fresado de alta eficiencia se está apoderando de la industria, hemos agregado herramientas de seis, siete y nueve canales".

La ventaja de las fresas de extremo de múltiples filos es que los operadores pueden tomar velocidades de avance más altas debido a la reducción de DOC y al paso con materiales resistentes al calor y de alta temperatura. "A estos metales no les gusta que los mecanicen de la manera convencional con DOC grandes, pasos radiales grandes y velocidades de avance lentas", dijo Ball. "Las herramientas de múltiples flautas permiten mayores MRR sin endurecimiento por trabajo porque pueden ejecutar velocidades de avance más rápidas y pasos radiales más livianos con más dientes".

Señaló que si bien desbastar el material es difícil y puede causar múltiples problemas, el desbaste optimizado con entre un 6 y un 10 por ciento de pasos radiales máximos es efectivo en superaleaciones resistentes al calor (HRSA) y titanio. “Y se pueden usar estas mismas herramientas para terminar muchas de estas piezas, de modo que se utiliza un acabado de fresado lateral más tradicional”, dijo.

Seco Tools ha desarrollado geometrías, recubrimientos, sustratos de carburo y preparaciones de bordes específicos para estos materiales difíciles de mecanizar. El último desarrollo de la compañía en recubrimientos es su recubrimiento patentado a base de silicio HXT para una mayor resistencia térmica y resistencia a la abrasión. “Lo que hemos descubierto es que estas mismas herramientas se pueden utilizar para cortar metales más fáciles de mecanizar, como aceros para herramientas, aceros inoxidables y hierro fundido. Por eso ahora podemos utilizar estas estrategias de fresado de alta eficiencia para aumentar la vida útil de la herramienta y la productividad en una gama más amplia de materiales más fáciles de mecanizar”, afirmó Ball.

Y añadió: “Hemos empezado a jugar mucho más con índices y [hélices] variables en herramientas de corte de múltiples flautas debido a su potencial para generar una mayor presión de corte debido al mayor contacto de la herramienta con la pieza de trabajo. Sin embargo, es necesario cambiar [hélices], inclinaciones e índices para variar la geometría de tal manera que rompa las vibraciones y los armónicos y aún conserve la capacidad de la herramienta para cortar de manera eficiente”.

Estas estrategias de mecanizado optimizadas de alta velocidad y alta eficiencia son la ola del futuro. Y están aquí hoy. Según Ball, entre el 80 y el 90 por ciento de los proveedores de software CAM tienen algún tipo de estrategia de fresado optimizada para desbaste y entre el 80 y el 90 por ciento de los principales fabricantes de herramientas de corte tienen algún tipo de productos de múltiples flautas para estas estrategias.

El objetivo de las estrategias de mecanizado de alta velocidad y alta eficiencia es mejorar el MRR, según Yair Bruhis, gerente global de productos y aplicaciones de YG-1 Tool Co., Vernon Hills, Illinois. El mecanizado de alta eficiencia aumenta el corte al limitar el tiempo de corte con aire. "Debido a que las dos estrategias de mecanizado son tan efectivas, la gente quiere cambiar todo hacia ellas", dijo Bruhis. “Pero todo depende de la pieza y de los parámetros de mecanizado. A veces, puedo mirar la pieza y afirmar que no se puede mecanizar con estrategias de alta eficiencia debido a la forma y complejidad de la pieza, o las capacidades de la máquina, o las características y programación de la pieza, entre otros factores.

"Hablo con mucha gente del sector aeroespacial y la tendencia ha cambiado en los últimos 10 o 15 años", continuó Bruhis. “Ya no es el coste de la herramienta. Los clientes quieren saber el coste real de la eliminación de metales. Hay muchos casos en los que me reúno con ingenieros o programadores y me dicen claramente que no les importa el precio de la herramienta. El tiempo de ciclo y la vida útil de la herramienta son las consideraciones más importantes”.

También señaló que la tendencia en el mecanizado de aleaciones de titanio y productos exóticos en los últimos cuatro o cinco años es hacia el mecanizado de alta velocidad para piezas medianas y grandes porque el costo de eliminar el titanio o el Inconel es mucho más alto que el del aluminio o el acero.

"Al evaluar el mecanizado de piezas aeroespaciales grandes, por ejemplo, aunque no soy programador, en la mayoría de los casos puedo mirar el programa y decir qué se debe cambiar", dijo Bruhis. “En los últimos años, entre viajes y trabajo por todo el mundo, si no puedo revisar el programa, le pido a mi cliente que me envíe un video de la simulación y realice una reunión en línea para discutir posibles modificaciones del programa. A través de interacciones por Skype, hago simulaciones y modifico programas constantemente”.

YG-1 ha desarrollado herramientas estándar específicamente para el mecanizado de titanio a alta velocidad, pero alrededor del 30 por ciento de sus herramientas para esta aplicación todavía se fabrican a medida, con longitudes y radios de esquina especiales. "Una de las tendencias del mecanizado de alta velocidad es el mayor número de canales necesarios para realizar cortes ligeros y ejecutarlos muy rápido", dijo. “La tendencia de los últimos cinco años es de cinco, seis, siete y nueve flautas”, dijo. La ventaja es una mayor vida útil de la herramienta y un mejor control del calor y de la viruta, así como el rendimiento del mecanizado.

"Cuando los principales fabricantes de equipos originales me llaman, generalmente es para mejorar la vida útil de la herramienta, el proceso o ambos", continuó Bruhis. “Podría ser un proyecto nuevo en el que se enfrentan a un problema grave. Puede ser un problema con la calidad de la pieza, el tiempo del ciclo o la entrega de piezas a tiempo o el costo total, pero casi nunca se debe al costo de la herramienta, ya que YG-1 ofrece un paquete de relación costo-rendimiento muy atractivo”.

Bruhis describió cómo evalúa y determina un enfoque para un proyecto de mecanizado de titanio. “Por lo general, primero pregunto sobre la capacidad de la máquina, ya sea de tres, cuatro o cinco ejes, vertical u horizontal, accesorios y herramientas”, dijo. Añadió que en la mayoría de los casos, las fresas de extremo específicas se seleccionan en función del corte axial o radial, las velocidades y avances, y la programación para mecanizado de alta velocidad y alta eficiencia.

Las rutas de corte varían y pueden incluir perfilado, ranurado y embolsado. Las piezas de trabajo también pueden variar en complejidad y tamaño. YG-1 tiene herramientas para materiales específicos como titanio, Inconel o aluminio, así como herramientas de uso general para talleres más pequeños y múltiples aplicaciones.

"Determinamos el proceso y el programa, lo ejecutamos dentro de un rango de velocidades y avances y estimamos el tiempo del ciclo", dijo Bruhis. “Una vez que el cliente tiene la oportunidad de ejecutar el programa que hemos establecido, podemos obtener comentarios con resultados reales del tiempo de mecanizado y, si el tiempo del ciclo es demasiado largo y el costo no está en línea con los resultados esperados, hacemos lo necesario. ajustes”.

Al igual que otras empresas que contribuyen a este artículo, Horn USA Inc., Franklin, Tennessee, enfatiza tanto la importancia del diseño de herramientas de múltiples canales como la colaboración con el cliente para el éxito de las herramientas. "Nos describiría como una empresa impulsada por la ingeniería que aborda las soluciones de herramientas para sus clientes con delicadeza", dijo Edwin Tonne, especialista técnico y de capacitación. Horn, conocida por sus herramientas de torneado para ranurado y corte, ofrece una amplia línea de productos, que incluyen fresas de carburo macizo, brocas y fresas indexables, así como sus productos de torneado. Más del 40 por ciento de sus herramientas de corte son especiales. Horn ha desarrollado fresas de extremo de múltiples flautas utilizadas para mecanizar titanio, Inconel, acero inoxidable y otros metales resistentes a altas temperaturas utilizando estrategias de mecanizado de alta velocidad y alta eficiencia para lograr el MRR más alto.

El siguiente es un informe de consenso de una entrevista realizada con Tonne, Eric Carbone, ingeniero de aplicaciones y ventas; John Kollenbroich, jefe de gestión de productos; y Jeff Shope, ingeniero de aplicaciones y ventas.

No todas las piezas son buenas candidatas para el mecanizado de alta velocidad. La elección de la estrategia es función de la geometría y el tamaño de la pieza. Algunas de las pruebas que se están realizando requieren mecanizado de Inconel, titanio y acero inoxidable con profundidades de corte ligeras, altas velocidades y velocidades de avance y acoplamiento radial bajas.

Si se trata de una “profundidad de pieza” muy superficial, el maquinista no obtendrá la economía de la fresa cortadora ni la alta velocidad y experimentará mucho exceso de vibración. La razón es que si un taller ejecuta una profundidad de corte axial poco profunda, reduce el MRR y la operación puede no ser tan eficiente como otros métodos con pasos radiales más grandes y axiales menos profundos.

Estas estrategias de mecanizado requieren algo más que el grado de carburo, la plaquita y la geometría adecuados: la forma de abordar el material también es fundamental. El objetivo del mecanizado de alta eficiencia es reducir el ancho del corte y aumentar la longitud del corte para reducir las fuerzas de corte, lo que permite un mecanizado más rápido. A veces es más rápido de esa manera y otras veces es más rápido usando cortadores tradicionales de alto avance. Muchas veces con el mecanizado dinámico puede haber mucho movimiento desperdiciado. Su aplicación depende de la aplicación y la complejidad de las funciones, como el embolsado, que están involucradas.

Es importante tener el software CAM adecuado para evitar movimientos de desplazamiento rápidos desperdiciados, lo que aumenta el tiempo del ciclo. Hay ocasiones en las que es mejor dar una pasada de corte más convencional. Un ejemplo es cuando el ancho de corte es corto con, digamos, una fresa de extremo de 0,5" (12,7 mm) con la intención de cortar una longitud de la pieza de 0,5" de largo y el proceso necesita quitar 0,3" (7,62 mm). de material. En este ejemplo, Horn recomienda quitar todo el material en una o dos pasadas en lugar de 30. Para ser eficiente, la herramienta debe permanecer en la pieza y limitar la retracción que hace perder tiempo.

Además del componente, la estrategia de programación y el software también influyen. Si un taller realiza fresado de alta eficiencia o alta velocidad, debe tener la potencia y el torque necesarios para impulsar la herramienta. Si ejecuta el software incorrecto, habrá muchos movimientos costosos y desperdiciados.

Las herramientas de carburo sólido de Horn con siete o nueve flautas con DOC grandes y un paso de entre el 10 y el 15 por ciento (como regla general para empezar) ayudan con estas estrategias, pero la máquina herramienta debe tener la aceleración y desaceleración requeridas. Una máquina más antigua con velocidades de 600 ipm no será suficiente. Del mismo modo, también se requiere la anticipación que tienen las máquinas más nuevas.

Las fresas de mango DSFT de Horn, parte de la línea DS de herramientas de alto DOC y bajo compromiso radial, están diseñadas para mecanizado trocoidal. Para ser efectivas, las herramientas DS requieren un husillo de máquina sólido con un descentramiento cercano y un controlador capaz de programar. Hay programas CAD disponibles para crear simulaciones de estimaciones de tiempo de mecanizado para decidir si es mejor el fresado final tradicional o el mecanizado de alta velocidad. Además, hay una serie de herramientas de software disponibles para evaluar la economía de estas decisiones sobre herramientas.

El MRR más alto posible en el mecanizado de alta velocidad con herramientas de múltiples flautas se produce cuando el proceso involucra toda la longitud de la flauta de la herramienta. Cuantas más flautas, mayor será el diámetro del núcleo para lograr rigidez. Normalmente, lo primero que hay que tener en cuenta al considerar el mecanizado de alta velocidad es el tamaño de la pieza y la longitud de la ranura para decidir el diámetro de la herramienta, según Horn. Una pulgada de longitud real de la flauta se puede manejar con una herramienta de 3/8" (9,5 mm) de diámetro y dos pulgadas de longitud real de la flauta con una herramienta de 5/8" (15,8 mm) de diámetro.

El objetivo es maximizar la longitud de la flauta porque eso es lo que proporcionará el mejor MRR en combinación con pasos de 5 y 10 por ciento. Otra forma de determinar la selección de herramientas es decidir si simplemente se cambia al fresado de alto avance y se utiliza una fresa convencional para extraer el material.

Los tiempos de ciclo para el mecanizado de cinco ejes de moldes, cuchillas y otras piezas aeroespaciales y médicas complejas se pueden reducir hasta en un 90 por ciento con las fresas de carburo sólido Circle Segment, según Emuge Corp, West Boylston, Mass. Mientras que los fabricantes realizan trabajos de alta velocidad El mecanizado puede estar familiarizado con el uso de fresas de punta esférica tradicionales para realizar pequeñas pasadas escalonadas, las fresas de extremo circular de segmento utilizan pasadas escalonadas altas hasta 10 veces mayores que las fresas de punta esférica para cortar grandes áreas de material, maximizando la eficiencia y minimizando la altura de la cúspide.

Según la empresa, se consigue un ahorro de tiempo y costes y una mayor calidad de las piezas. La vida útil de la herramienta aumenta debido a trayectorias de herramienta más cortas. Se minimizan las desviaciones de tolerancia debidas a la deformación térmica de la herramienta y se suavizan las desviaciones axiales de la máquina, ofreciendo un acabado superficial de mayor calidad en un plazo más corto. Las fresas de extremo circular de segmento presentan formas únicas con grandes radios en las áreas de corte de las fresas, lo que permite un DOC axial más grande durante las operaciones de preacabado y acabado.

Las fresas están disponibles en cuatro geometrías: forma de barril, forma ovalada, forma cónica y forma de lente. Los molinos de forma ovalada y cónica son adecuados para formas curvas, como cuchillas o cavidades de paredes rectas, en las que se engancha libremente una mayor parte del filo. Según Emuge, las fresas con diseño de barril proporcionan un fresado de flanco eficaz en los lados de ranuras en espiral y aplicaciones similares. Los molinos con forma de lente destacan en canales estrechos o en superficies sobre moldes. Se requiere software de sistemas CAM específicos, como Mastercam e hyperMILL, para soportar y calcular las geometrías.

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