ES2630397T3

ES2630397T3 - Herramienta y método de fresado, en particular para el fresado de materiales compuestos

Info

Publication number: ES2630397T3
Application number: ES07825275.6T
Authority: ES
Inventors: Vincenzo Galota; Aldo Falchero; Guido Mancina
Original assignee: Leonardo SpA
Current assignee: Leonardo SpA
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2017-08-21
Anticipated expiration: 2027-10-04
Also published as: WO2008044115A1; ITTO20060724A1; EP2076347B1; US20090311055A1; EP2076347A1

Abstract

Un método de fresado de un material, en donde el método comprende las siguientes etapas: - proporcionar una herramienta de fresado (1, 1') preparada para realizar el fresado de dicho material mientras gira alrededor de un eje de rotación predeterminado (AR) y que incluye: un filo cortante lateral (7, 7'), situado, en esencia, en los lados de dicha herramienta (1, 1'); una cara de corte (17), en la que se depositan y fluyen durante el mecanizado los posibles restos, virutas y polvos producidos por dicha herramienta (1, 1'); y un canal (11, 13, 11'), que está formado dentro de dicha herramienta (1, 1') y a través del cual puede circular un fluido de limpieza; desembocando dicho canal (11, 13, 11') fuera de la herramienta (1, 1') a través de un orificio de salida (15, 15') orientado hacia la cara de corte (17) de manera que dicho fluido de limpieza impacte directamente sobre dicha cara de corte (17); y - fresar dicho material por medio de dicha herramienta (1, 1') mientras se inyecta dicho fluido de limpieza en dicho canal (11, 13, 11'); estando dicho método caracterizado por que dicho material es un material compuesto que comprende un material de refuerzo embebido en una matriz de polímero; por que dicho fluido de limpieza es un fluido gaseoso elegido de entre el grupo siguiente: aire, nitrógeno, un gas inerte; y por que dicho canal es un canal de lavado (11, 13, 11'), en donde dicho fluido de limpieza elimina de los filos de corte laterales los posibles restos, virutas y polvos producidos por la herramienta (1, 1') durante el mecanizado, mientras que dicho líquido de limpieza impacta directamente contra dichas caras de corte (17) y las lava mediante los chorros de dicho fluido, estando adaptados dichos chorros de fluido para mantener la temperatura en el área de corte por debajo de la temperatura de polimerización de dicho material que está siendo fresado.

Description

DESCRIPCION

Herramienta y metodo de fresado, en particular para el fresado de materiales compuestos.

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un metodo para el fresado de materiales altamente abrasivos, como por ejemplo, los materiales compuestos formados por fibras de carbono embebidas en una resina epoxi (vease, por ejemplo, EP- 5 A-1270123).

Estado de la tecnica

Varias criticidades se encuentran durante el mecanizado con formacion de viruta de materiales compuestos que comprenden fibras de carbono impregnadas con resinas epoxi.

Algunas de dichas criticidades estan relacionadas con problemas en la refrigeracion del area de corte: la temperatura del material compuesto en el area de corte debe mantenerse por debajo de valores relativamente bajos 10 - aproximadamente, del orden de 180 °C - para evitar que la superacion de la temperatura de polimerizacion

provoque la combustion de la matriz epoxi, deteriorando de este modo las caractensticas mecanicas del material compuesto. Sin embargo, la refrigeracion del area de corte se complica por la imposibilidad de usar lubricantes y lfquidos refrigerantes, los cuales contaminanan el material compuesto a mecanizar.

Otras dificultades estan relacionadas con la considerable aspereza de los materiales compuestos mencionados 15 anteriormente y de los polvos creados, en lugar de virutas, durante el mecanizado con herramienta: esto provoca un desgaste rapido de los filos cortantes de las herramientas.

Dificultades adicionales se asocian con los procesos de fabricacion requeridos para la fabricacion de herramientas de fresado.

Por ejemplo, el documento DD-A-267211 describe una herramienta preparada para eliminar las virutas utilizando un 20 taladro de lavado conectado a un canal longitudinal interno. El taladro tiene una direccion inclinada, esta roscado internamente y comprende una seccion conica en la direccion del canal longitudinal. El taladro conocido puede mejorar la refrigeracion, pero es muy diffcil de fabricar.

Un objetivo de la presente invencion es proporcionar un metodo que permita un mecanizado con herramienta eficiente de los materiales compuestos altamente abrasivos como, por ejemplo, los materiales compuestos que 25 comprenden fibras de carbono impregnadas con resinas epoxi.

Resumen de la invencion

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, dicho objetivo se logra mediante un procedimiento con las caractensticas segun la reivindicacion 1.

Las ventajas proporcionadas por la presente invencion seran mas evidentes para el experto en la tecnica a partir de la siguiente descripcion detallada de algunas formas de realizacion particulares no limitantes, mostradas en los 30 siguientes dibujos esquematicos.

Lista de las figuras

La Fig. 1 es una vista en perspectiva de una primera forma de realizacion de una herramienta de fresado preparada para realizar el metodo de acuerdo con la presente invencion;

La Fig. 2 es una vista en seccion transversal de la herramienta de la Fig. 1, de acuerdo con el plano de seccion A - A;

35 La Fig. 3 es una vista lateral de la herramienta de la Fig. 1;

La Fig. 4 es una vista en seccion transversal, de acuerdo con un plano de seccion perpendicular al eje de rotacion AR de la herramienta, de un detalle de un inserto de corte de la herramienta de la Fig. 1;

La Fig. 5 es una primera vista lateral de una segunda forma de realizacion de una herramienta de fresado preparada para realizar el metodo de acuerdo con la presente invencion;

40 La Fig. 6 es una vista lateral de la herramienta de la Fig. 5, tomada en una direccion ortogonal a la de la Fig. 5;

La Fig. 7 muestra la herramienta de la Fig. 5 cuando se observa a lo largo del eje de rotacion de la misma herramienta.

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Descripcion detallada

Las Fig. 1 a 4 se refieren a una primera forma de realizacion de una herramienta de fresado preparada para realizar el metodo de acuerdo con la presente invencion.

Una herramienta de este tipo, por lo general senalada con el 1, incluye un soporte 3 del inserto de corte que tiene, en el presente ejemplo, la forma de un vastago alargado. Un par de insertos de corte 5, que tienen cada uno un filo cortante lateral 7 y un filo cortante extremo 9 formado sobre el mismo, estan fijados al soporte 3. Los filos cortantes laterales 7 permiten el fresado lateral mediante la herramienta 1, por ejemplo, mediante operaciones de contorneado y desbarbado, mientras que los filos cortantes 9 permiten el fresado mediante la herramienta 1 al tiempo que la misma avanza a lo largo de su eje de rotacion AR. Es decir, la herramienta 1 puede realizar tanto el fresado periferico como el fresado de acabado.

De acuerdo con la presente invencion, la herramienta 1 esta equipada con canales de lavado 11, 13 a traves de los cuales un fluido adecuado, preferiblemente pero no necesariamente aire, puede circular al interior del soporte 3 del inserto de corte y ser descargado a traves de multiples orificios de salida 15 situados proximos y enfrente de las superficies de corte 17 de los insertos de corte 5, de manera que pueda impactar, posiblemente directamente, sobre dichas caras de corte y lavarlas mediante chorros de aire comprimido u otros fluidos, para eliminar rapidamente de los filos cortantes 7, 9 los polvos producidos durante el mecanizado. De este modo, se evita que los polvos altamente abrasivos desgasten y deterioren rapidamente los filos cortantes 7, 9 debido a una permanencia demasiado larga en los espacios entre los filos cortantes y la superficie del material compuesto que esta siendo cortado por los mismos filos. Ademas, se logra una rugosidad mas fina o un mejor acabado superficial de cualquier modo, de las superficies que se cortan. De hecho, se considera que los polvos empeoran la rugosidad de las superficies que estan siendo cortadas.

El sistema de refrigeracion y eliminacion del polvo que opera desde el interior de la herramienta 1 ha demostrado ser mas eficaz que los sistemas que operan con chorros de aire desde el exterior, que otras empresas estaban experimentando cuando la presente invencion ha sido concebida y desarrollada.

En la forma de realizacion de ejemplo de las Figs. 1 a 4, un canal 11 longitudinal y dos canales 13 transversales se forman internamente de la herramienta 1. El primero se extiende coaxialmente con y longitudinalmente de la herramienta 1 y el eje de rotacion AR de la misma y el segundo se ramifica desde el canal 11 longitudinal transversalmente de la herramienta 1 y el eje de rotacion AR de la misma. En la presente descripcion, los canales 11 y 13 se denominan tambien "canales de lavado". En la forma de realizacion de las Figs. 1 a 4, los canales 13 transversales desembocan fuera de la herramienta 1 a traves de cuatro orificios de salida 15 situados proximos y enfrente de las superficies de corte 17 de los insertos de corte 5.

La parte de los canales 13 transversales proxima a los orificios de salida 15 y los orificios de salida en sf mismos, tienen preferiblemente un diametro en el intervalo aproximadamente de 0,5 a 8 mm y, mas preferiblemente, de 1 mm a 4 mm.

El numero NF de orificios de salida 15 que lavan una cara de corte 17 dada se determina preferiblemente de acuerdo con la siguiente relacion:

(1) NF = a'LT

donde LT es la longitud del filo cortante lateral 7(Fig. 3) en milfmetros y a es un factor de multiplicacion que vana de 0,04 a 0,4 y mas preferiblemente de 0,08 a 0,18.

El diametro DFO de cada orificio de salida 15 se determina preferiblemente de acuerdo con la siguiente relacion:

(2) DFO = a-DFR

donde DFR es el diametro de corte del elemento de corte (Fig. 2), es decir, el diametro del cilindro descrito por los filos cortantes laterales 7, en condiciones de diseno, durante el mecanizado.

El orificio de salida 15 mas proximo al extremo de la herramienta 1 preferiblemente esta separado de dicho extremo libre, a lo largo del eje de rotacion AR, por una distancia DEX (Fig. 3) que oscila, en esencia, desde dos tercios y un cuarto del diametro de corte del elemento de corte. Mas preferiblemente, dicha distancia DEX no es, en esencia, inferior a un tercio del diametro de corte del elemento de corte.

Los ejes de dos orificios de salida 15 adyacentes estan preferiblemente separados por una distancia DFS (Fig. 3) que es, en esencia, no inferior a un cuarto de la longitud LT del filo cortante lateral 7.

Los filos cortantes lateral y/o extremo 7, 9 de los insertos de corte 5 se forman en una capa de material de corte 19 (Fig. 4) que preferiblemente es de diamante policristalino - tambien denominado, en la jerga tecnica, como PCD (P oli C ristalino D iamante) o PDC (P olicristalino D iamante C ompacto) - o carburo de tungsteno (WC). Dicha capa 19

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comprende preferiblemente micropolvos de diamante sintetico con un tamano de grano en el intervalo de 2 a 30 milesimas de miKmetro. La eleccion de un material y un tamano de grano de este tipo da como resultado una mejora significativa en la duracion de la vida util de la herramienta 1.

La capa 19 de diamante policristalino tiene preferiblemente un espesor no inferior a 0,1 mm y, mas preferiblemente, no inferior a 0,4 mm (por ejemplo, un espesor en el intervalo de 0,4 a 1,5 mm). Dicha capa 19 de diamante policristalino se sinteriza preferiblemente sobre una capa 21 subyacente de carburo de tungsteno y el espesor total de las capas 19 de diamante policristalino y 21 de carburo de tungsteno es preferiblemente de 0,8 a 3,2 mm.

Los insertos de corte 5 formados por la capa 19 de diamante policristalino y la capa 21 de carburo de tungsteno se fijan preferiblemente al soporte 3 del inserto de corte mediante soldadura fuerte y el soporte 3 del inserto de corte tambien se fabrica preferiblemente de carburo de tungsteno.

La fijacion de la capa 19 de diamante policristalino sobre el sustrato 21 de carburo de tungsteno mediante sinterizacion y la fijacion de los insertos de corte 5 al soporte 3 mediante soldadura fuerte ayuda en el alargamiento de la vida util de la herramienta 1. De hecho, dichos sistemas de fijacion permiten obtener un montaje mas robusto, compacto y monolttico, reduciendo las vibraciones y los movimientos no deseados y haciendo que los filos cortantes de la herramienta trabajen en las condiciones que mejor se adaptan a las condiciones de diseno. Ademas, tales sistemas, que eliminan o reducen considerablemente los huecos y vados entre los insertos de corte 5 y el soporte 3, si se comparan con un sistema meramente mecanico para fijar los insertos de corte 5, proporcionan una mejor transmision de calor conductiva desde el exterior hacia el interior de la herramienta I, donde se forman los canales de lavado, aumentando de este modo el efecto de refrigeracion de los canales. Al mismo tiempo, la refrigeracion del diamante policristalino, u otro material de corte, mejora su resistencia a la abrasion.

Mediante la combinacion de las caractensticas anteriores, en particular, mediante la combinacion de los canales de lavado en el interior de la herramienta de fresado con la eleccion de los materiales descritos anteriormente, en particular la eleccion del diamante policristalino como material de corte, la vida operativa de una herramienta 1 se puede aumentar incluso por 1,500 a 2,000 % o mas, en comparacion con las herramientas de carburo de tungsteno integrantes, sin refrigerar, de la tecnica anterior. De hecho, una vida util superior a 2 m de longitud de corte nunca se ha alcanzado con dichas herramientas de la tecnica anterior, cumpliendo con los requisitos de calidad predeterminados, mientras que se han alcanzado vidas operativas de incluso hasta 40 m de longitud de corte con las herramientas refrigeradas anteriormente descritas de diamante policristalino de acuerdo con la invencion. Al mismo tiempo, mediante un flujo de aire de refrigeracion, la temperatura en el area de corte podna mantenerse por debajo de 180 °C, es decir, por debajo de la temperatura de polimerizacion del material compuesto que esta siendo fresado.

Las Figs. 5 a 7 se refieren a una segunda forma de realizacion de una herramienta de fresado preparada para realizar el metodo de acuerdo con la presente invencion. En dicha segunda forma de realizacion, la herramienta 1' tiene dos orificios de salida 15' dispuestos para emitir chorros de aire u otro fluido de limpieza hacia las caras de corte 17', longitudinalmente al eje de rotacion de la herramienta 1' en lugar de transversalmente como en la forma de realizacion de las Figs. 1 a 4. Dos canales de lavado 11', uno para cada orificio de salida 15', se forman preferiblemente dentro de la herramienta 1'. Dichos canales de lavado 11' estan preferentemente dispuestos longitudinalmente con relacion al eje de rotacion AR de la herramienta, son lo mas rectilmeos posible y no son coaxiales con el eje de rotacion AR, mientras que el canal de lavado 11 en la forma de realizacion de ejemplo de las Figs. 1 a 4 es coaxial con el eje de rotacion AR. La eleccion de los materiales y el sistema para fijarlos sobre la herramienta 1' son preferiblemente los mismos que en la forma de realizacion de las Figs. 1 a 4.

El solicitante se ha dado cuenta de que una buena refrigeracion de la herramienta 1' y una eliminacion eficaz de los polvos de fresado de las areas de corte tambien se logran con un segundo modo de realizacion de este tipo, aunque no tan satisfactoriamente como con la disposicion del orificio de salida utilizado en la forma de realizacion de las Figs. 1 a 4. En la forma de realizacion de las Figs. 1 a 4, la orientacion transversal, con relacion al eje de rotacion AR, de los chorros de aire u otro fluido de lavado descargado desde los orificios de salida 15, parece hacer mas efectiva la eliminacion de restos, virutas y polvos de las areas de corte.

La invencion se refiere a un metodo de fresado de un material compuesto que comprende un material de refuerzo embebido en una matriz de polfmero. En una forma de realizacion particular de dicho metodo, el material de refuerzo del material compuesto consta de fibras de carbono y dichas fibras estan embebidas en una matriz de resina epoxi. Un material compuesto de este tipo se fresa por medio de la herramienta 1 o 1' descrita anteriormente, inyectando aire comprimido en los canales de lavado 11, 13 o 11'.

En las formas de realizacion de ejemplo descritas anteriormente son posibles varios cambios y modificaciones, sin apartarse del alcance de la invencion.

Por ejemplo, el numero de insertos de corte 5, 5' puede, evidentemente, ser mayor o menor de dos. En lugar del diamante policristalino pueden utilizarse otros materiales de corte tales como el carburo de tungsteno, el carburo de silicio, el carburo de boro, el boruro de titanio, el nitruro de titanio, el nitruro de aluminio, el nitruro de boro cubico, el nitruro de silicio, la alumina, el SiAlON u otros carburos o nitruros adecuados.

Los insertos de corte 5, 5' pueden fijarse incluso mecanicamente, por ejemplo, por medio de tornillos o sistemas de union fijos, a los soportes 3 y 3'. A este respecto, se apreciara que, en la presente descripcion, el termino "insertos de corte" incluye los cuerpos de corte fijados a un soporte de inserto de corte no solo mediante soldadura fuerte, soldadura, sinterizado o pegado, sino tambien mediante sistemas mecanicos reversibles o irreversibles u otros 5 sistemas de fijacion diferentes. En lugar del aire como fluido de lavado pueden utilizarse el nitrogeno, otros gases inertes o aun de forma mas general, sustancias gaseosas adecuadas, tales como gases, vapores y aerosoles. Es evidente que todavfa son posibles modificaciones adicionales sin apartarse del alcance de la invencion segun se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo defresado de un material, en donde el metodo comprende las siguientes etapas:

- proporcionar una herramienta de fresado (1, 1') preparada para realizar el fresado de dicho material mientras gira alrededor de un eje de rotacion predeterminado (AR) y que incluye:

un filo cortante lateral (7, 7'), situado, en esencia, en los lados de dicha herramienta (1, 1');

una cara de corte (17), en la que se depositan y fluyen durante el mecanizado los posibles restos, virutas y polvos producidos por dicha herramienta (1, 1'); y

un canal (11, 13, 11'), que esta formado dentro de dicha herramienta (1, 1') y a traves del cual puede circular un fluido de limpieza; desembocando dicho canal (11, 13, 11') fuera de la herramienta (1, 1') a traves de un orificio de salida (15, 15') orientado hacia la cara de corte (17) de manera que dicho fluido de limpieza impacte directamente sobre dicha cara de corte (17); y

- fresar dicho material por medio de dicha herramienta (1, 1') mientras se inyecta dicho fluido de limpieza en dicho canal (11, 13, 11');

estando dicho metodo caracterizado por que dicho material es un material compuesto que comprende un material de refuerzo embebido en una matriz de polfmero;

por que dicho fluido de limpieza es un fluido gaseoso elegido de entre el grupo siguiente: aire, nitrogeno, un gas inerte; y

por que dicho canal es un canal de lavado (11, 13, 11'), en donde dicho fluido de limpieza elimina de los filos de corte laterales los posibles restos, virutas y polvos producidos por la herramienta (1, 1') durante el mecanizado, mientras que dicho lfquido de limpieza impacta directamente contra dichas caras de corte (17) y las lava mediante los chorros de dicho fluido, estando adaptados dichos chorros de fluido para mantener la temperatura en el area de corte por debajo de la temperatura de polimerizacion de dicho material que esta siendo fresado.
2. El metodo segun se reivindica en la reivindicacion 1, en donde el material de refuerzo comprende fibras de carbono.
3. El metodo segun se reivindica en la reivindicacion 1 o 2, en donde la matriz polimerica comprende una resina epoxi.
4. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha herramienta (1, 1') incluye un filo cortante extremo (9, 9') situado en el extremo delantero de la herramienta (1, 1'), y un orificio de salida (15, 15') orientado a la cara de corte (17) de manera que el fluido de limpieza impacte sobre la cara de corte (17), eliminando de este modo del filo cortante extremo los posibles recortes, virutas y polvos producidos por la herramienta (1, 1') durante el mecanizado.
5. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde en dicha herramienta (1, 1') al menos uno de entre el filo cortante lateral (7, 7') y el filo cortante extremo (9, 9') esta formado sobre una capa (19) de un material de corte que comprende uno o mas materiales elegidos de entre el siguiente grupo: diamante, diamante policristalino, carburos, nitruros, carburo de tungsteno, carburo de silicio, carburo de boro, boruro de titanio, nitruro de titanio, nitruro de boro cubico, nitruro de silicio, alumina.
6. El metodo segun se reivindica en la reivindicacion 5, en donde dicha capa (19) de material de corte esta formada mediante sinterizacion sobre una capa subyacente (21) de carburo de tungsteno.
7. El metodo segun se reivindica en la reivindicacion 6, en donde el conjunto de la capa (19) de material de corte y la capa subyacente (21) de carburo de tungsteno esta fijado a un soporte (3) del inserto de corte.
8. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho orificio de salida (15) esta dispuesto para dirigir un chorro de fluido de limpieza transversalmente del eje de rotacion (AR) de la herramienta (1).
9. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde dicho orificio de salida (15) esta dispuesto para dirigir un chorro de fluido de limpieza longitudinalmente del eje de rotacion (AR) de la herramienta (1).
10. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho orificio de salida (15, 15') tiene un diametro en el intervalo de aproximadamente 0,5 mm a 8 mm.
11. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el filo cortante lateral (7, 7') esta construido de manera que, mientras gira alrededor del eje de rotacion (AR) de la herramienta (1, 1'),

describe un cilindro con diametro DFR y el orificio de salida (15) tiene un diametro (DFO) en el intervalo de aproximadamente 0,04 a 0,4 veces el diametro DFR.
12. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el numero (NF) de orificios de salida (15) dispuestos para dirigir chorros de fluido de limpieza sobre la cara de corte (17) es de 0,04 a

5 0,4 veces la longitud (LT) sobre la que se extiende el filo cortante lateral (7, 7') a lo largo del eje de rotacion (AR) de

la herramienta (1, 1').
13. El metodo segun se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el orificio de salida (15) mas proximo a un extremo de la herramienta (1) esta separado de dicho extremo por una distancia (DEX) que esta, en esencia, en el intervalo de dos tercios a un cuarto del diametro DFR del cilindro descrito por el filo cortante lateral

10 (7, 7') mientras gira alrededor del eje de rotacion (AR) de la herramienta (1, 1').