Desafíos de corte:compuestos de matriz mixta y compuestos reforzados con fibra

¿Es nuevo en la industria aeroespacial con materiales de matriz mixta y reforzados con fibra? Aquí hay una introducción sobre cómo trabajar con materiales compuestos.

Como muchas industrias, incluida la aeroespacial, continúan demandando componentes cada vez más livianos, es posible que un día se encuentre de pie frente a un centro de mecanizado CNC preguntándose:"¿Qué es esto que estoy cortando?". Las herramientas se desgastan rápidamente, el polvo se esparce por todas partes y las superficies mecanizadas son ásperas, astilladas y, a menudo, agrietadas.

¿Qué son los materiales compuestos?

“Los materiales compuestos son esencialmente una combinación de dos o más materiales diferentes que se usan juntos para combinar las mejores propiedades o impartir un nuevo conjunto de características que ninguno de los materiales constituyentes podría lograr por sí solo”, escribe el Dr. Rainer Groh, un investigador asociado en estructuras no lineales en la Universidad de Bristol en su blog de Ingeniería Aeroespacial.

En primer lugar, es una buena idea entender por qué se utilizan los compuestos:es porque son ligeros y resistentes al mismo tiempo. Suena bastante simple de entender. Sin embargo, el diablo, cuando se cortan compuestos, está en los detalles.

“La matriz es susceptible a la oxidación y degradación por el calor excesivo, y las fibras de carbono no se cortan bien porque se fracturan en lugar de cortarse suavemente”, señala American Machinist en un artículo sobre polímero reforzado con fibra de carbono. "[L]a mecanización de compuestos da como resultado una serie de fracturas de fibra de carbono quebradizas que producen virutas similares al polvo que se llevan muy poco del calor generado por la mecanización".

Compuestos reforzados con fibra versus compuestos de matriz

Vigas de piso, paneles estabilizadores, superficies de control de vuelo, puertas y mamparos:estas son solo algunas de las muchas piezas compuestas o laminadas que se encuentran en las aeronaves hoy en día, la mayoría de las cuales están hechas de sándwiches de compuestos de metal compuesto de múltiples capas o materiales tipo panal con exteriores duros y estructuras casi de papel en el interior.

Independientemente de cómo estén construidos, sea lo que sea con lo que estén laminados en la industria aeroespacial, existen tres clases de compuestos reforzados con fibra, que incluyen cerámica, metal y Kevlar. Del mismo modo, existen tres clases de compuestos de matriz:fenólicos, poliéster y epoxi. Estos materiales pueden ser bastante difíciles de mecanizar, pero con algunos conocimientos básicos y una pequeña inversión en equipos y herramientas, todos son bastante manejables.

Es posible que haya escuchado los compuestos denominados CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono), compuesto de matriz metálica (MMC), aramida (que es Kevlar) o docenas de otros nombres que suenan científicamente similares. La clave está en entender las diferencias con el trabajo con metal.

“El paso de la construcción metálica a la compuesta ha inducido naturalmente un cambio en la metodología de diseño de los componentes de las aeronaves”, señala Groh. “Hay que tener en cuenta que no solo las propiedades mecánicas de los compuestos difieren de las de los metales, sino que toda una gama de propiedades físicas y químicas son diferentes”.

Compuestos de corte:polvo, polvo de carbón y sistemas de filtración

Comencemos con el polvo desagradable que se arremolina alrededor de tu cabeza. No quieres inhalar las cosas. Para algunas aplicaciones, inundar las máquinas con fluido de corte puede crear un lodo abrasivo que podría dañar su costosa máquina CNC. Algunos compuestos absorben agua como una esponja proverbial, por lo que aplicar refrigerante puede dañar la pieza de trabajo si no se cuenta con el equipo adecuado. Sin embargo, en otras aplicaciones compuestas, el refrigerante puede ser un método muy efectivo para controlar el polvo, mejorar la vida útil de la herramienta y mejorar los acabados de los componentes.

Otro problema a tener en cuenta:se sabe que el polvo de fibra de carbono se enciende en determinadas circunstancias. Dejando a un lado las terribles advertencias, la solución es bastante simple:cualquier taller que corte compuestos de forma rutinaria debe invertir en un sistema de filtración, uno adecuado para el tipo de material que se está mecanizando. Un recinto bastante hermético también es una buena idea, pero siempre que haya suficiente vacío para sacar el polvo del área de trabajo, no debería haber ningún problema. Cualquier resto de polvo se puede limpiar con un Shop-Vac (solo asegúrese de que el filtro esté en buenas condiciones). Estas son algunas de las mejores prácticas clave para filtrar el polvo compuesto:

• Consulte con su distribuidor de máquinas sobre la necesidad de un husillo de presión positiva como el que se encuentra en las máquinas de corte de grafito
• Consulte con el proveedor del material qué tamaño y tipo de filtración se necesita (hay muchas variaciones)
• Y verifique con el cliente los requisitos de limpieza de las piezas:los fabricantes de aeronaves suelen ser muy particulares con respecto a la presencia de polvo y objetos extraños (FOD) en las piezas mecanizadas

Herramientas para cortar materiales compuestos:guarde el HSS

En cuanto a las herramientas de corte, puede olvidarse del acero de alta velocidad. Los compuestos generalmente son bastante abrasivos y, aunque el HSS es resistente, no puede soportar el abuso de cortar materiales como el papel de lija. Si solo tiene unas pocas piezas para mecanizar, el carburo sólido funcionará, pero necesita un borde muy afilado (esto significa que los recubrimientos probablemente estén fuera de discusión, gracias al redondeo microscópico del borde que viene con todos los recubrimientos CVD e incluso con la mayoría de los PVD). ).

La geometría también es importante. Los ángulos de hélice relativamente pronunciados de las fresas y brocas para corte de metal tienden a deslaminar la mayoría de los compuestos, lo que separa las capas y daña la integridad del material, de manera similar a lo que sucede cuando perfora un agujero en una pieza de fibra de vidrio (aunque es posible que no lo haga). ser capaz de verlo a simple vista). La mejor apuesta es una herramienta de corte de hélice inversa o neutra, como una broca de enrutador para el mecanizado de madera o plástico, o cortadores que hayan sido rectificados especialmente para trabajos compuestos.

Entonces, para las brocas, use puntas de doble ángulo (se parecen a Batman, con orejas puntiagudas a cada lado de la punta de la broca) que reducen las fuerzas durante el avance y eliminan el astillado, para evitar la delaminación en la superficie de salida. Otra opción es un taladro de punta, familiar para los carpinteros. También puede interpolar el tamaño del orificio con una fresa de extremo de inclinación neutra o una broca para enrutador.

Corte de materiales compuestos:los diamantes son los mejores amigos del maquinista

Para mayores cantidades de producción, o cuando la calidad del filo es crítica (que suele ser el caso), las herramientas con punta de diamante policristalino y las herramientas recubiertas de diamante son la mejor opción. Las herramientas soldadas o indexables son las más disponibles y harán un excelente trabajo, pero aquí nuevamente, algunos fabricantes de herramientas de corte ofrecen productos especialmente diseñados para CFRP y otros compuestos. Evalúe este tipo específico de herramientas de corte donde se requiera el máximo rendimiento.

Cualquiera que sea el enfoque que adopte con las herramientas de corte, los avances y las velocidades, será un territorio desconocido. Para obtener los mejores resultados, llame a su proveedor de herramientas y al fabricante del material para que le aconsejen, reserve un poco de tiempo para realizar pruebas y documente todo lo que haga.

Consejos adicionales para trabajar y cortar materiales compuestos

Aferrarse a piezas compuestas endebles puede ser un desafío, así que eche un vistazo a la sujeción por vacío o los adhesivos activados por luz. Si el calor se convierte en un problema, intente apuntar una pistola de aire frío a la zona de trabajo.

Aquí hay algunos indicadores compuestos adicionales para que se mueva en la dirección correcta:

• Tenga en cuenta la dirección y la estructura subyacentes del grano compuesto, ya que es posible que deba orientarse de ciertas maneras para lograr los resultados de mecanizado deseados
• El material intercalado puede negar el uso de PCD a favor del carburo
• Los compuestos alveolares, populares en estructuras de fuselajes, también están sujetos a un libro de jugadas diferente:aquí, el fresado ascendente es el enfoque preferido (algo que a menudo no es el caso con los compuestos)

Es una buena idea seguir el lema de Boy Scout y estar preparado:el mecanizado de compuestos se dirige hacia usted.

¿Cómo trabaja con composites en su taller? Cuéntanos tus cortantes historias de terror.