Maximizando la Eficiencia de Mecanizado en Fabricación Aeroespacial: Estrategias Probadas

Publicado el 11 de mayo de 2020 | Por WayKen Rapid Manufacturing

La cúspide del pensamiento e ingeniería humanos está justamente reservada para las gigantescas máquinas voladoras. Cohetes, aviones y jets son imposiblemente 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, espacial o solo voladora, tiene más de 500.000 piezas, una gran parte de las cuales debe ser extremadamente precisa y duradera. Asegurar que estas piezas tengan la mejor calidad y coste es un objetivo vital del mecanizado aeroespacial industrial.

Problemas con la Producción de Piezas Aeroespaciales

El mecanizado de precisión aeroespacial tiene muchos problemas. Primero, la multitud de piezas aeroespaciales está hecha de una vasta variedad de materiales. Los elementos del motor, siendo 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 eso el calor durante el procesamiento se acumula en la herramienta. Las aleaciones de níquel a menudo están envejecidas o tratadas térmicamente, por lo que son muy duras de mecanizar. La precisión de las piezas aeroespaciales es mucho más estricta comparada 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 incluye los estándares de producción. Junto con la industria médica, la producción aeroespacial es una de las más reguladas del mundo y cumplir todos los requisitos de calidad es difícil.

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Mecanizado Eficiente de Piezas Aeroespaciales de Pared Delgada

El peso es extremadamente crucial para vehículos aeroespaciales. Cuanto más ligero 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 sólido de metal fundido o estampado y el material de desecho de tales piezas es del 95%. Sin embargo, la baja eficiencia de material no es el único problema. El problema real al mecanizar tales piezas es la deformación debido a 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 vibración o deformarlas por exceso de calor. El resultado suele ser que corta una viruta minúscula a un avance reptante y el tiempo total de mecanizado es imposiblemente grande.

¿Qué puede hacer para disminuir el tiempo de mecanizado y realmente mecanizar piezas aeroespaciales de pared delgada competitivamente? Lo primero que debe hacer es disminuir la vibración. La herramienta vibrante golpea una pared delgada y esta se dobla o agrieta. Para disminuir la vibración, es mejor reducir el avance pero aumentar el número de filos de corte en una fresa (o incluso usar múltiples herramientas de corte en un torno). La estrategia de corte óptima para fresar piezas aeroespaciales de pared delgada es el fresado en concordancia (climb milling). Esta estrategia usa un avance que va en dirección opuesta a la estrategia de fresado convencional. Esto conduce a una fuerza de corte menor, 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 usar refrigerantes de alta presión progresivos.

Trayectorias Trocoidales para Reducir el Sobrecalentamiento en Aleaciones Aeroespaciales

El sobrecalentamiento de la pieza por mala conducción de calor es un problema típico para piezas aeroespaciales. Una estrategia de mecanizado para reducir la acumulación de calor se llama fresado trocoidal. Aprovecha enormemente las capacidades de las máquinas CNC para seguir trayectorias de corte complejas. La estrategia trocoidal usa una fresa pequeña (más pequeña que el corte de todos modos) que sigue una trayectoria similar a la proyección lateral de un resorte sobre una superficie plana. Una curva: la fresa corta, luego retrocede durante la segunda curva y luego corta el metal de nuevo. Esta estrategia fracciona el tiempo de contacto entre la herramienta y la pieza para que haya un momento en que ambas se enfríen eficientemente con los fluidos de corte. El torneado trocoidal es similar al fresado, usando secuencias cortas de corte y pausa para dejar que los refrigerantes hagan su trabajo y evitar el sobrecalentamiento. Tal estrategia tiene muchas más carreras en vacío comparada con otras estrategias, pero niega este efecto aumentando las velocidades y avances de corte. En WayKen, también podemos ofrecer Mecanizado EDM que quizá pueda evitar el mecanizado de piezas.

Elegir las Herramientas Adecuadas para Mecanizado Rápido

Cuando vienen a la mente las máquinas herramienta, las máquinas CNC juegan un gran papel y tienen amplia aplicación en el mecanizado de aluminio. Una de las formas más importantes de aumentar la eficiencia del mecanizado es elegir la herramienta de corte correcta. Si las aleaciones más blandas están bien analizadas y muchos fabricantes ofrecen soluciones para aluminio y otras aleaciones. Sin embargo, muchos materiales aeroespaciales están clasificados y la elección debe hacerse in situ.

Los trucos para una elección eficiente de herramienta para materiales resistentes al calor deben contrarrestar las propiedades negativas de los materiales. Así, una herramienta perfecta debe tener poca vibración, ser muy dura y soportar altas temperaturas para tener una vida consistente y trabajar en avances eficientes. Un ejemplo perfecto de herramienta usada para tales propósitos es la herramienta de corte de diamante. Los diamantes artificiales son más duros y duraderos que los insertos de metal duro y pueden trabajar a temperaturas más altas. El mecanizado con diamante tiene sus especificidades pero ciertamente puede modificarse para satisfacer las necesidades de fabricantes aeroespaciales. Aparte de herramientas de diamante, las herramientas cerámicas demuestran tener un gran rendimiento también porque pueden trabajar a las temperaturas más altas.

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

Sistemas que Garantizan la Calidad del Mecanizado

Antes de usar cualquier estrategia y empezar 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 hacerlo? No era posible hace poco tiempo, pero lo es ahora debido a la asombrosa tasa a la que se desarrollan las técnicas de modelado matemático. El análisis de elementos finitos ha alcanzado un nivel donde 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 influirán en la pieza final. Puede ver tensiones residuales, deformaciones, etc., incluso antes de instalar un bloque en la máquina herramienta CNC. Esta tecnología ofrece grandes ventajas para predecir el resultado del mecanizado y disminuye el tiempo para repeticiones.

Cómo WayKen Puede Ayudarle

Aquí, hemos invertido fuertemente en tecnología avanzada de mecanizado CNC y máquinas multi-eje que nos permiten procesar fácilmente y rápido tiradas de prueba, series cortas personalizadas o producciones de bajo volumen. Podemos satisfacer sus necesidades de piezas mecanizadas cuando suba sus archivos CAD hoy para una cotización gratuita.