Perfilado de Bordes Mecanizado (MEP): Elimina Rebabas y Bordes Afilados en Manufactura Aeroespacial

Introducción

Los fabricantes emplean torneado, fresado y taladrado para mecanizar características en piezas. Sin embargo, esos mismos procesos pueden producir rebabas y bordes afilados indeseables en los límites de las características. Estas condiciones de borde pueden causar rotura del material cuando la pieza está en uso, debilitarla estructuralmente y suponer un peligro para quienes la manipulan. Por eso muchos usuarios finales consideran las rebabas o bordes extremadamente afilados como motivos para rechazar piezas de los proveedores.

Tradicionalmente, los fabricantes han eliminado rebabas y bordes afilados usando esmeriles manuales y otros procesos manuales. Estos métodos son lentos y requieren sacar la pieza de la máquina y refijarla para las operaciones de desbarbado o chaflanado. Incluso cuando los realizan artesanos calificados, estas operaciones carecen de la consistencia necesaria de pieza a pieza.

Una alternativa productiva al desbarbado manual es el Perfilado de Bordes Mecanizado (MEP). El MEP elimina las condiciones de borde inaceptables aplicando una herramienta diseñada y el mismo equipo que mecanizó las características de la pieza. El proceso MEP ofrece numerosos beneficios: permite definir y programar exactamente la condición final del borde a través del sistema CAM de la máquina, logrando máxima repetibilidad. Se reduce el tiempo total de producción porque la pieza no tiene que ser retirada y refijada, y se eliminan el apilamiento de tolerancias y otras inconsistencias que ocurren de configuración a configuración. En respuesta a esta tendencia, los fabricantes de herramientas de corte continúan desarrollando herramientas nuevas y productivas que mejoran los beneficios del proceso MEP.

Candidatos Ideales para MEP

Considerando las demandas cada vez más rigurosas de la industria aeroespacial en precisión y consistencia de piezas, los componentes de motores a reacción son candidatos ideales para la aplicación de MEP.

Los componentes de turbinas de aviones se categorizan generalmente como no rotativos y rotativos. Para el MEP de piezas de motor no rotativas como tambores y carcasas, el perfilado de bordes suele consistir en herramientas de chaflán estándar y de quiebre de borde, aplicadas en el equipo que mecanizó la pieza.

Para piezas rotativas críticas como discos de ventilador y compresor, los usuarios finales tienen estándares más altos y exigen la eliminación completa de imperfecciones superficiales. Las condiciones de borde通常必须经过实验室批准和认证。Para desbarbar estas piezas, los fabricantes de herramientas han desarrollado herramientas MEP personalizadas de alta precisión y totalmente repetibles.

Desarrollo de Herramientas MEP

Las herramientas estándar de desbarbado y perfilado, como las aplicadas en componentes no rotativos, incluyen fresas de chaflanar de carburo sólido recubiertas con ángulos de corte de 45° y 60°, así como herramientas que usan insertos indexables para producir chaflanes de 45° y 60°.

Para las aplicaciones más críticas, los fabricantes de herramientas proporcionan herramientas diseñadas a medida para perfilar bordes y eliminar rebabas específicamente en la entrada o salida de un orificio. Algunas herramientas combinan esas capacidades y pueden eliminar rebabas tanto en la entrada como en la salida.

Estas herramientas personalizadas a menudo presentan geometrías de corte complejas. Las más sofisticadas tienen diseños de borde que producen un chaflán con un borde redondeado precedido por ángulos de entrada y salida diseñados para prevenir la formación de rebabas secundarias.

El desarrollo especializado va más allá de los bordes de corte. Para perfilar rebabas y bordes en la entrada de un orificio o superficie superior de un componente, la investigación ha revelado que la combinación de corte a derechas con hélice a derechas es más efectiva porque sirve para remover el material cortado de la pieza. Por otro lado, para rebabas de salida en la superficie inferior, un corte a derechas combinado con hélice a izquierdas funciona mejor, ya que esa configuración mueve las virutas lejos del componente.

Otros análisis de aplicación han indicado que las herramientas MEP diseñadas para eliminar rebabas en la parte superior o entrada de un orificio proporcionan mayor vida útil que las destinadas a la parte inferior o salida de un orificio pasante. Esto se debe a que una herramienta de desbarbado diseñada para alcanzar a través de la pieza para acceder a la salida del orificio será más larga y de menor diámetro que una destinada a trabajar solo desde un lado. Una herramienta más larga y de menor diámetro es más propensa a inestabilidad y vibración, lo que puede astillar o romper una herramienta de carburo. Como resultado, la mayoría de los talleres optan por usar herramientas separadas para desbarbar los bordes de entrada y salida de un orificio en lugar de una sola herramienta que haga ambas.

Las herramientas más largas y de menor diámetro también requieren más cuidado en la elección de parámetros de corte. Una herramienta corta y robusta puede funcionar más rápido sin vibración u otros problemas. La geometría y características de la pieza también marcan diferencia. Cuando las condiciones de corte son estables y los cortes son suaves e ininterrumpidos, se pueden aplicar parámetros más agresivos. Por otro lado, características como orificios de acceso que interrumpen las trayectorias de corte MEP obligan a usar parámetros más conservadores para minimizar el desgaste de la herramienta y prevenir fallos prematuros.

Parte del desarrollo continuo de herramientas MEP involucra herramientas que combinan el mecanizado de una característica con el desbarbado. Por ejemplo, el borde de corte MEP se ubicaría en la parte superior de la fresa para que pueda mecanizar simultáneamente el diámetro del orificio y desbarbar los bordes de entrada.

Desafíos de Materiales

Muchos materiales aeroespaciales, en cuanto a sus características de mecanizado, presentan desafíos adicionales al eliminar rebabas y chaflanar bordes afilados. Las aleaciones a base de níquel usadas en componentes de motor, por ejemplo, son tenaces y malos conductores de calor. Así, la herramienta de corte absorbe el calor generado en el proceso, acelerando el desgaste de la herramienta.

Por tanto, al determinar la metalurgia y geometría de una herramienta, los fabricantes deben equilibrar la agudeza del borde y la resistencia del mismo. Un sustrato de carburo duro puede resistir muy bien el desgaste térmico y abrasivo, pero carecerá de la resistencia al impacto de un sustrato con adiciones de cobalto u otros elementos de aleación para aumentar su tenacidad. De la misma manera, un filo muerto puede ser más propenso a rotura comparado con uno que tenga un redondeo u otra preparación de borde. Los fabricantes también afinan ángulos de ataque y hélice, así como recubrimientos de herramientas para lograr los mejores resultados con materiales de pieza específicos.

Tamaño de Herramienta

Para procesar orificios y bordes grandes, los fabricantes pueden diseñar herramientas de cualquier tamaño para el que los proveedores puedan proporcionar un bloque lo suficientemente grande. En el extremo pequeño del espectro, sin embargo, hay límites. Actualmente, el radio más pequeño que se puede rectificar es de aproximadamente 0,2 mm, con ángulos de entrada y salida proporcionalmente más pequeños.

Las herramientas MEP personalizadas tienen radios, chaflanes, ángulos y combinaciones de esas características específicas. Las herramientas comúnmente tienen bordes de corte cuadrados. Sin embargo, también están disponibles herramientas de tipo bola (ballnose) y estilo piruleta (lollipop) para perfilar características de un componente cuyos contornos restringen el acceso de una herramienta MEP de borde cuadrado. Aplicadas en una máquina de cinco ejes, estas herramientas pueden escanear la línea de un perfil de pieza complejo y crear un radio en bordes contorneados largos.

MEP en Operación

Para maximizar la precisión y consistencia y ahorrar el tiempo de mover la pieza de máquina a máquina, los fabricantes suelen realizar el MEP como parte de la operación de mecanizado de características de la pieza.

Típicamente, el desbarbado ocurre después de completar todas las operaciones de mecanizado. El programa CAM dirige las herramientas MEP para desbarbar todos los orificios y quiebre de bordes afilados en secuencia. Algunas herramientas MEP pueden usarse para desbarbar una variedad de orificios, y algunas herramientas de perfilado pueden aplicarse en tres o cuatro ubicaciones o características diferentes, como el fondo de un orificio y el fondo de un contorno de escarpa.

Para asegurar que el perfilado de bordes tenga lugar en la ubicación correcta y con la cantidad adecuada, el orificio o característica involucrada debe ser definida o medida antes de que comience la operación MEP. Cuando las tolerancias de la pieza son muy ajustadas, la ubicación de la superficie de la pieza está bien definida y la medición en proceso puede ser innecesaria. Sin embargo, cuando las tolerancias son generosas, la medición es necesaria después del mecanizado inicial para determinar la ubicación del borde o característica a perfilar.

Además, la propia herramienta debe ser medida y localizada para asegurar que perfilará la pieza correctamente. Como los radios de la herramienta son tan pequeños –y para fines prácticos, no medibles–, la longitud de la herramienta se especifica en el programa CAM. El operario puede confirmar la longitud de la herramienta fuera de la máquina con un preajustador o en la máquina mediante láser o sonda táctil. Las velocidades de avance se calculan relativas a las dimensiones medidas de las características de la pieza y la herramienta. Las herramientas de desbarbado personalizadas más sofisticadas son medidas al 100% por su fabricante con una tolerancia de 40 micras en el perfil de la herramienta, incluyendo la carrera.

La operación de desbarbado o chaflanado debe considerarse como un pase de acabado, con el foco principal en la calidad. La productividad siempre es importante, pero especialmente en el caso de componentes aeroespaciales que cuestan cientos de miles de dólares, forzar la herramienta para maximizar la producción puede tener repercusiones negativas y costosas. La consistencia, fiabilidad y eliminación de piezas de desecho son primordiales.

Conclusión

Las piezas con bordes afilados y rebabas fuera de especificación son consideradas cada vez más como desecho costoso. Esto es evidente en la industria aeroespacial, pero es una tendencia creciente en algunas aplicaciones críticas dentro de las industrias médica, energética y otras. Los fabricantes necesitan un método para desbarbar componentes y perfilar bordes de piezas que sea consistente, documentable y rentable. El Perfilado de Bordes Mecanizado (MEP) satisface esa necesidad porque reemplaza operaciones manuales que, por más hábilmente realizadas, pueden ser inconsistentes de pieza a pieza y son costosas en mano de obra, configuración y manipulación de piezas. Algunos usuarios finales ya han prohibido el desbarbado manual porque no puede ser documentado ni certificado.

El MEP más eficiente y rentable representa una combinación de desarrollo de ingeniería y experiencia en aplicación. Los fabricantes de herramientas que ofrecen una solución total ayudarán a agilizar el proceso de manufactura aeroespacial (así como procesos similares en otras industrias críticas) y producirán nuevos niveles de calidad y productividad.

MEP en Acción

El Perfilado de Bordes Mecanizado está beneficiando a fabricantes en una variedad de aplicaciones.

En un caso, un fabricante producía un componente de acero inoxidable 303 en una máquina de doble husillo. A medida que crecían el volumen y los tamaños de lote, también crecía la necesidad de mayor productividad. Las operaciones estaban desequilibradas y consumían mucho tiempo: el 90% del mecanizado ocurría en el husillo principal, y se requería desbarbado manual de la parte inferior de la pieza, lo que exigía una configuración adicional. Cuando el fabricante aplicó una herramienta MEP de carburo sólido diseñada a medida en el subhusillo de la máquina, permitió perfilar ambos lados de los orificios de pernos de la brida al mismo tiempo. El tiempo de mecanizado entre los dos husillos se equilibró más, y el tiempo de ciclo disminuyó significativamente. El uso de la herramienta MEP también eliminó la necesidad de desbarbado manual y la configuración y tiempo extra que requería.

Otro caso involucró la elección entre un tratamiento de borde chaflanado (plano) versus uno redondeado (radio). Algunas piezas no tienen requisitos específicos de que un borde sea procesado por cualquiera de los dos estilos. Sin embargo, un fabricante descubrió que al aplicar un radio en lugar del chaflán, la vida de la pieza era tres veces mayor que la de una pieza chaflanada. Una diferencia aparentemente pequeña en la elección de herramienta aumentó significativamente la calidad de la pieza.

Finalmente, una operación de manufactura aeroespacial en un disco de ventilador TiAl-4V proporciona un ejemplo de la aplicación de una herramienta de contorneado MEP. Un fabricante había estado usando una herramienta de forma de carburo sujeta en un porta-herramientas de leva para mecanizar el disco. El acabado superficial era pobre en ubicaciones aleatorias alrededor del disco y el radio de la ranura, y el problema era inconsistente y variaba en severidad y frecuencia. El fabricante aplicó una fresa de carburo sólido recubierta, de corte central, estilo piruleta, de 10 mm de diámetro y 10 dientes, con hélice a derechas de 30°. La herramienta eliminó los problemas de acabado superficial y pudo terminar ambos lados del disco en un tiempo considerablemente menor.

Publicado anteriormente en SecoTools.com.