Los fabricantes de herramientas responden a las nuevas demandas de perforación

Uno de los métodos de fabricación más antiguos de la humanidad (hacer un agujero) ahora se ve desafiado por rápidos avances, que incluyen materiales nuevos y más duros, una mayor complejidad de las piezas, componentes cada vez más pequeños y la necesidad de tiempos de ciclo más cortos. Lo que había sido un procedimiento bastante rutinario ahora exige herramientas con sustratos más fuertes, mejores recubrimientos (y en algunos casos, personalizados), junto con geometrías mejoradas y diseños especializados.

La necesidad de componentes más resistentes y ligeros en aplicaciones críticas ha impulsado el uso de materiales no tradicionales. Estos incluyen nuevos aceros especiales, aleaciones más nuevas, cerámicas, compuestos y vidrio. Difíciles de mecanizar y penetrar, se utilizan con frecuencia en piezas que requieren tolerancias excepcionalmente estrictas y un acabado superficial fino.

Edwin Tonne, especialista técnico y de capacitación de Horn USA Inc., Franklin, Tennessee, define algunos de los problemas al realizar agujeros con brocas en materiales como titanio y grados de acero inoxidable austenítico. "Los problemas comienzan desde el principio, ya que se requiere más esfuerzo para penetrar el material, lo que resulta en una tendencia a aumentar el empuje", dijo. “Además, estos materiales con frecuencia bloquean el taladro y no cortan limpiamente, desgastando el taladro más rápido de lo normal. Los problemas derivan de la dureza de los materiales más que simplemente de su dureza. Algunos de los otros materiales, como los plásticos, son más duros y eso genera sus propios problemas”.

Craig Ewing, especialista nacional en productos de perforación de Iscar Metals Inc., Arlington, Texas, analizó las dificultades inherentes a los compuestos y la cerámica. “El principal desafío con los materiales no tradicionales es la necesidad de lograr un equilibrio entre un mayor rendimiento y una mayor vida útil de la herramienta. A menudo, esto es función de los grados de carburo y la preparación de los bordes. Los desafíos con la cerámica y los composites son dobles. Son extremadamente abrasivos, lo que afecta negativamente a la vida útil de la herramienta. Los compuestos también tienen tendencia a deslaminarse o deshilacharse sin la geometría correcta”.

Por ejemplo, Iscar tiene diez geometrías estándar, pero a menudo se le pide que cree diseños especializados. "Las soluciones adicionales utilizan insertos con punta de diamante o recubrimiento similar al diamante, que mejoran la vida útil de la herramienta y pueden ser una alternativa rentable al carburo recubierto", dijo Ewing.

Al cortar materiales duros, el calor es el enemigo. No solo afecta la precisión, sino que acorta sustancialmente la vida útil de la herramienta, según Manfred Lenz, gerente de producto de taladrado de Seco Tools LLC, Troy, Michigan. "Con metales como las aleaciones de alta temperatura, el filo reconstruido es un problema", dijo . “Por lo tanto, son esenciales los bordes afilados y los recubrimientos que puedan soportar temperaturas más altas y reducir o eliminar los filos de corte acumulados. El principal problema de los composites es la abrasión que puede desgastar el filo y, por tanto, provocar desgarros. Una solución en este caso es mantener el borde afilado con recubrimientos especialmente formulados o brocas con punta de PCD”.

David Maunu, médico especialista en aplicaciones de Mitsubishi Materials USA Corp., Schaumburg, Illinois, destacó las consideraciones económicas que conllevan los materiales más duros y no tradicionales. "Dada la competencia que existe en el mercado mundial, uno de los grandes desafíos para los fabricantes de herramientas es la necesidad de desarrollar una herramienta estándar capaz de funcionar con múltiples materiales con repetibilidad y confiabilidad", dijo. "Aunque los fabricantes necesitan herramientas especializadas en muchos casos, las economías dictan la necesidad de un producto que pueda funcionar bien, ofrecer resultados satisfactorios y lograr una vida útil razonable en una amplia gama de materiales".

Los criterios de rendimiento deben incluir la geometría correcta para un control adecuado de la viruta, señaló. “Las brocas especializadas que se demandan para los compuestos requieren sustratos especialmente formulados y múltiples recubrimientos y, como tales, son más caras. Al combinar taladros estandarizados cuando sea posible y unidades especializadas cuando sea necesario, los fabricantes y clientes pueden promediar los costos para lograr un mejor rendimiento económico”.

El requisito de orificios de menor diámetro ha proliferado en toda la fabricación, desde las piezas más pequeñas fabricadas en máquinas de estilo suizo hasta algunos de los componentes más grandes de motores de aviones y otros lugares. Además de simplemente evitar la rotura de la broca, las tolerancias y el acabado se han convertido en puntos importantes. La solución al problema va mucho más allá de las herramientas y requiere una combinación optimizada de factores.

Lenz notó los problemas. "Por debajo de 2 mm, se necesitan bastante más rpm, generalmente en el rango de 10.000 a 20.000, dependiendo del material", dijo. “Más que solo la velocidad del husillo, la máquina tiene que ser estable, y tanto la herramienta como la pieza de trabajo requieren una sujeción rígida para que no haya descentramiento ni inestabilidad. Evidentemente, la geometría debe ser correcta y el revestimiento adecuado es importante. Pero creo que la conclusión principal es que, si vas a hacer este tipo de trabajo, necesitas las opciones correctas en la máquina para aumentar tus posibilidades de éxito”.

Tonne citó varias formas de combinar velocidad y precisión en diámetros más pequeños. Señaló que Horn ofrece sistemas de pinzas de precisión de Fahrion, con una precisión concéntrica de hasta 2 µm. Cuando se combina con refrigerante pasante y pinzas de chorro, se pueden lograr velocidades de corte más altas incluso en materiales difíciles de mecanizar.

"También tenemos nuestra serie DD de perforadoras de alto rendimiento, que perforan materiales difíciles", afirmó Tonne. “Esto lo logramos mediante desviaciones de mayor precisión y flautas finamente pulidas. Nuestra nueva herramienta Supermini HP puede perforar, perforar, refrentar y tornear. Este enfoque permite al usuario final desbastar agujeros pequeños y luego perforar con precisión. Esto ahorra tiempo de cambio de herramientas y reduce las estaciones de herramientas, al tiempo que proporciona la mayor precisión posible”.

En resumen, el rendimiento en la perforación no proviene de ningún aspecto del sistema sino de cada parte que contribuye: desde el husillo hasta la punta de la herramienta.

La economía, la flexibilidad y la conveniencia de las herramientas indexables también se han vuelto relevantes en la perforación de pozos pequeños. Ewing citó SUMOCHAM de Iscar, una línea de taladros de cabeza reemplazable, que ahora están disponibles con diámetros de hasta 4,0 mm. “Hemos desarrollado tres geometrías estándar diferentes, incluida una para cortar materiales exóticos. El diseño de bolsillo convierte las fuerzas de corte en fuerzas de agarre sin posible deformación plástica. A medida que las brocas se hacen más largas, las geometrías autocentrantes, con menores fuerzas de corte en la entrada del orificio, mejoran el rendimiento de la perforación en cuanto a la posición y la calidad del orificio”.

Maunu de Mitsubishi destacó la importancia de lo básico cuando se trata de velocidad y precisión en diámetros pequeños. "Siempre estamos diseñando nuevos sustratos, recubrimientos y geometrías capaces de lidiar con los materiales no tradicionales de hoy", dijo. “Dependiendo del diámetro, la complejidad inherente a la selección de herramientas cambia según las máquinas que utiliza el cliente y las funciones que podemos ofrecer. En la actualidad, 0,019" (0,48 mm) es el diámetro más pequeño capaz de suministrar refrigerante, lo cual es tan importante para la evacuación de viruta como para el control térmico, y el control de viruta es uno de los mayores problemas en la perforación de orificios pequeños".

Los fabricantes han descubierto que la eliminación de los procedimientos de posprocesamiento (incluido el desbarbado) ofrece múltiples ventajas, incluido el ahorro de tiempo y herramientas, la eliminación del trabajo manual y una mejor calidad del producto. La fabricación de agujeros ha sido responsable de muchas de estas innovaciones, que van desde técnicas de ingeniería basadas en el valor, como brocas combinadas que producen múltiples diámetros, hasta recubrimientos especializados capaces de generar un acabado mejorado.

La demanda más básica y frecuente es la de un “corte limpio” que elimine el desbarbado y mejore la precisión. Tonne de Horn USA citó la importancia de la programación. “La técnica más común para evitar el desgarro cuando la broca sale del agujero es reducir el avance. Asimismo, en materiales más difíciles, reducir el avance en la entrada puede reducir las rebabas en la parte superior del orificio. También ofrecemos brocas especiales en nuestra serie DD que pueden diseñarse con biselado, guía y desbarbado adicionales integrados en la herramienta”.

Lenz de Seco Tools destacó la importancia del tamaño del chaflán. "Al aumentar el tamaño del chaflán, hemos podido reducir la creación de rebabas", afirmó. “Esto es especialmente cierto con algunos de los materiales más nuevos y abrasivos. Cuanto más grande sea el chaflán, mejor (y más limpia) será la operación de corte. En determinadas aplicaciones, hemos aumentado el radio hasta un diseño casi esférico. Por supuesto, mucho depende de la herramienta en sí y de su composición y recubrimiento. Por ejemplo, un recubrimiento de diamante funcionará mejor en composites”.

El chaflán también lo enfatiza el Ewing de Iscar. "Empleamos una serie de técnicas diferentes con respecto al achaflanado, incluido el montaje de cuerpos de perforación dentro de un collar de achaflanado, para perforar y achaflanar en una sola operación", dijo. “También hemos ideado herramientas especiales que taladran y biselan por un lado, y también biselan por la parte trasera, mediante interpolación circular. Esto es especialmente favorecido por la industria automovilística, ya que ahorra tiempo y herramientas”.

Cuando el objetivo es mejorar el acabado superficial, se deben incorporar una serie de elementos del proceso. Según Maunu, “A medida que crece la demanda de acabados mejorados, tanto los fabricantes de herramientas como los fabricantes tienen que considerar una variedad de variables, incluido el sustrato de la herramienta, el recubrimiento, la geometría y la velocidad y el avance. Si bien generalmente se considera que el recubrimiento es un contribuyente principal al proceso, todos los insumos deben tratarse adecuadamente para obtener la configuración óptima. Cuando se trata de operaciones secundarias, algunos fabricantes están encontrando formas de evitarlas mediante equipos y herramientas multieje con geometrías de herramientas seleccionadas”.

Los avances en la fabricación (incluidos materiales, máquinas, capacidades de diseño y configuraciones de piezas) han impulsado el desarrollo de estrategias correspondientes por parte de los fabricantes de herramientas. En algunos casos, estos son trabajo de una sola empresa, pero más frecuentemente son esfuerzos cooperativos con subcontratación de recubrimientos, componentes y accesorios.

Maunu citó tanto la composición como el diseño de las herramientas básicas. “A medida que las herramientas de corte han alcanzado a las máquinas en términos de tecnologías de rendimiento, han surgido varias estrategias nuevas”, dijo. “El uso de sustratos de carbono de tierras raras es cada vez más necesario, al igual que la capacidad de manejar diferentes formas de refrigerante, según la operación. Por ejemplo, una de nuestras nuevas brocas presenta orificios triangulares para un mejor control de la viruta. Durante toda la fase de desarrollo, éramos conscientes de la necesidad de un flujo de refrigerante adecuado. La realidad es que los fabricantes de herramientas exitosos ahora tienen que actualizar y ampliar sus líneas de productos estándar para competir económicamente”.

Ewing también enfatizó la necesidad continua de investigar nuevos materiales tanto para los cuerpos de las brocas como para los revestimientos. "El término 'sustrato de carburo' ya no es suficiente", afirmó. “Gracias a la nanotecnología y otros avances, la variedad de opciones de sustratos ha aumentado sustancialmente. En cuanto a los recubrimientos, vemos cada vez más capas múltiples que deben secuenciarse en términos de tipo y cantidad para obtener el máximo rendimiento”.

Lenz destacó el esfuerzo (y la eficacia) necesarios para el desarrollo de recubrimientos "específicos". "Seco Tools realiza más I+D cada año, especialmente en el ámbito de abordar problemas concretos", afirmó. “Por ejemplo, tenemos un nuevo recubrimiento que casi elimina el filo recrecido y lo usaremos tanto en nuestras calidades MS (fresado) como DS (perforación). El rendimiento ha sido extraordinario, y gracias al recubrimiento y a una geometría que incluye un filo muy afilado y un desprendimiento positivo, pudimos pasar de 500 a 4.000 agujeros. Esto requirió bastante investigación, no sólo en términos de la fórmula sino también de los medios de aplicación”.

Además de los componentes de herramientas (incluidos sustratos y recubrimientos), los dispositivos electromecánicos y las capacidades de las máquinas a bordo son cada vez más esenciales para mejorar la fabricación de agujeros. Tonne comentó: “En determinadas aplicaciones, recomendamos el uso de sensores de fuerza. Si bien no los fabricamos, están disponibles en Kistler y funcionan bien. Además, más máquinas tienen monitoreo a bordo para detectar la resistencia a la perforación. Lo que originalmente se llamaba "control adaptativo" se ha vuelto mucho más sensible y Makino ha desarrollado funciones que realmente monitorean el rendimiento. Al ayudar a nuestros clientes a seleccionar el taladro u otra herramienta para hacer agujeros adecuada, debemos ser conscientes de las capacidades de sus equipos en términos de la aplicación que persiguen”.

Los avances en la fabricación de agujeros en la última década se deben en gran medida a métodos, materiales y tecnologías que se originaron en otras áreas de la fabricación. En el futuro, los fabricantes de herramientas están incorporando su experiencia para “adelantarse a la curva” con nuevos productos y parámetros.

"Los últimos diez años han evolucionado enormemente", afirmó Maunu. “El desarrollo de pequeñas brocas que pueden suministrar refrigerante al filo y nuevos recubrimientos y geometrías han permitido a los clientes completar con éxito múltiples agujeros en materiales difíciles de mecanizar. A medida que avanzamos hacia el futuro, las perforadoras sin duda serán más precisas y los recubrimientos mejorados desempeñarán un papel cada vez más importante”.

Según Maunu, la relación profundidad/diámetro seguirá aumentando y se hará aún mayor hincapié en la eliminación de procesos. "Uno de nuestros clientes, por ejemplo, antes tenía que enviar piezas para taladrar y perdía hasta ocho semanas en el proceso", afirma. “Desarrollamos una herramienta para él que le permite completar el proceso internamente, ahorrando así todo ese tiempo y permitiéndole asumir trabajo adicional. ¿La herramienta más nueva es más cara? Sí, pero el precio está más que justificado en términos de aumento de producción y ahorro de tiempo”.

Lenz prevé avances graduales en prácticamente todos los ámbitos de la perforación. "Los fabricantes de herramientas trabajarán para desarrollar brocas estándar más efectivas que puedan funcionar bien en una variedad de materiales y aplicaciones", dijo. “Esto requerirá un gran énfasis en la evacuación de virutas, recubrimientos y canales más grandes. Al mismo tiempo, será imposible evitar aquellas aplicaciones especializadas que requieren atención individual, incluidas geometrías optimizadas para configuraciones de materiales especiales, como aleaciones personalizadas derivadas de la nanotecnología”.

El rápido crecimiento de la fabricación aditiva tanto en metales como en compuestos, y el continuo refinamiento del proceso, ejercerán un efecto importante en las operaciones de perforación. En opinión de Tonne, esto bien podría dar lugar a un subconjunto diferente de las operaciones de perforación tradicionales. "El taladrado será más bien una operación de acabado, ya que los agujeros ya existirán en la pieza impresa", afirmó. “Es posible utilizar técnicas similares a la perforación y el bruñido para refinar los diámetros de los orificios en operaciones con tolerancias estrechas y proporcionar acabados en el rango de micras. Lograr el resultado deseado requerirá la combinación de tecnología de husillo, sujeción de piezas y herramientas”.

Ewing resumió el futuro de la perforación en dos directivas inflexibles: "Hazte más pequeño y más rápido".

Lo que históricamente es uno de los procesos de mecanizado más antiguos y comunes ha evolucionado, por necesidad, hacia una variedad cada vez mayor de diseños, materiales y parámetros complejos. En un esfuerzo por satisfacer las demandas en constante expansión de un mercado cada vez más complejo, puede resultar tentador tanto para los fabricantes de herramientas como para involucrarse demasiado en opciones y detalles.

Conviene recordar un viejo pero aún cierto refrán: “El cliente no quiere taladros. Quiere agujeros”.

Así como la fabricación de agujeros ha experimentado múltiples avances, el roscado también ha seguido su ejemplo. Durante más de 30 años, Carmex Precision Tools LLC, Richfield, Wisconsin, se ha especializado en el desarrollo de herramientas para fresado de roscas. La amplia variedad de tipos y tamaños de roscas ha significado el desarrollo de equipos auxiliares, incluidos portaherramientas especializados y herramientas compuestas tanto para taladrado como para fresado de roscas.

"Ciertamente, los nuevos materiales de alta temperatura plantean desafíos para la fabricación de roscas, ya sea fresada o roscada", dijo Jim White, gerente nacional de ventas de Carmex USA. Por más importantes que sean los nuevos sustratos y recubrimientos de carburo, el diseño también desempeña un papel fundamental, añadió. “Los contornos helicoidales de muchas de nuestras herramientas no sólo dan como resultado un perfil de rosca más preciso sino que también ofrecen un mejor acabado. También hemos desarrollado mejoras como nuestra fresa de corte central DMT que comienza en superficies irregulares que, con herramientas convencionales, podrían dar como resultado un orificio elíptico”.

Al igual que con la fabricación de agujeros, los agujeros de menor diámetro plantean sus propios problemas de roscado. Históricamente, el tapping era la solución preferida. Desafortunadamente, cuando se trata de piezas de alto valor añadido, un grifo roto podría provocar un desguace inmediato. "Incluso hoy en día, los materiales de alta temperatura rompen los grifos y el fresado de roscas es ahora el procedimiento preferido", dijo White. “Además de las roturas, los grifos se desgastan rápidamente y requieren cambios frecuentes. Gracias a nuestros nuevos sustratos y al uso de nanorrecubrimientos, nuestras herramientas son mucho más fuertes y resistentes al calor. Además, el uso de refrigerante a través de la fresadora de roscas prolonga la vida útil de la herramienta. En algunas de nuestras herramientas más pequeñas, hemos incorporado tres canales para mejorar la evacuación de virutas. En cualquier roscado de orificios pequeños, la deflexión es el mayor problema, pero hemos cortado satisfactoriamente roscas tan pequeñas como 00-96 UNS”.

Cuando se trata de posprocesamiento, suele ser más eficaz incorporar medidas preventivas que tratamientos a posteriori. Por ejemplo, el uso de herramientas combinadas puede eliminar costosas operaciones de acabado, y cortar una rosca parcial en la pasada inicial es eficaz para evitar el roscado cruzado.

Mirando hacia el futuro, White citó la importancia de la I+D en el desarrollo de nuevas y mejores herramientas de roscado. “Trabajamos en un área donde las configuraciones de hilos, por más amplias y diferentes que sean, están bien establecidas. Nuestra responsabilidad incluye el desarrollo de herramientas que funcionarán para el cliente en aplicaciones específicas. Por ejemplo, desarrollamos herramientas que se han utilizado con éxito en operaciones de fracking, donde las bombas deben restablecerse de manera rápida y eficiente para que funcionen después de manipular lodos altamente abrasivos”, dijo.

White también señaló que el desarrollo de nuevos sustratos y la definición de nuevas geometrías permitirán una producción más rápida sin sacrificar la precisión y el acabado. Él cree que, en el corto plazo, el acabado será aún más importante, ya que su empresa maneja una mayor población de piezas impresas y compuestas. "También estamos aumentando la cantidad y variedad de productos que creamos para mecanizado de estilo suizo y para aplicaciones especializadas en el sector médico y aeroespacial", afirmó. El portaherramientas CIM recientemente introducido por la compañía permite cambiar herramientas de estilo suizo sin quitar el portaherramientas, ahorrando así tiempo de cambio.

"Cuando se trata de la nueva generación de aplicaciones, es nuestra responsabilidad no sólo poder realizar la operación con éxito, sino también proporcionar a nuestros clientes herramientas que generarán un mayor rendimiento y lograrán economías durante una vida útil más larga", afirmó. .

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